EMI를 방지하기 위해 다층 그라운드 리턴 경로를 따르세요

복잡한 다층 PCB에서 접지로 돌아가는 경로를 따라가기는 금방 복잡해질 수 있습니다. PCB가 적은 층수를 가지고 있을 때(예를 들어, 두 개의 평면 층을 가진 4층 보드), 반환 경로를 결정하고 EMI를 방지하기 위해 의도적으로 설계하는 것이 비교적 쉽습니다. 층수가 더 많을 때 상황은 더 복잡해집니다. 여러 평면 층과 도체가 접지 반환 경로를 형성할 수 있으며, 도체가 접지되지 않았더라도 마찬가지입니다. 이때 접지 평면과 참조 평면을 구별하는 것이 도움이 됩니다. 둘 다 PCB의 반환 경로의 일부를 형성할 수 있기 때문입니다.

접지 반환 경로 대 참조 평면

참조 평면은 신호 전송 경로의 본질적인 부분입니다. 신호 트레이스를 위한 접지 평면처럼 보드에 의도적으로 배치되었든, 신호 트레이스에 가깝게 놓인 의도하지 않은 참조 평면이든, 보드 전체에서 신호 트레이스의 위치를 주의 깊게 추적하지 않으면 결정하기 어려울 수 있습니다. 신호의 접지 반환 경로는 실제로 접지를 통해 흐르지 않을 수 있으며, 섀시, 전원 평면 또는 다른 접지된 도체를 통과할 수 있습니다.

리턴 경로가 보드에서 어디로 흐르든, 항상 보드의 저전위 지점, 즉 전원 공급 장치로 돌아가는 접지 리턴 지점으로 돌아가려고 합니다. 리턴 신호가 섀시, 전원 평면 또는 다른 도체에서 유도되는 경우, 접지 도체와 더 높은 전위를 가진 도체 사이의 전위 차이로 인해 접지로 끌려갑니다.

신호가 전파될 때 링잉의 특성일 뿐만 아니라, 신호의 리턴 경로는 다음과 같은 행동을 결정합니다:

• EMI 감수성. 리턴 경로에 의해 생성된 루프 인덕턴스는 회로의 EMI에 대한 감수성을 결정합니다. 큰 전류 루프를 가진 회로는 더 큰 기생 인덕턴스를 가지며, 방사된 EMI에 더 취약합니다. 루프가 더 타이트할 때 루프 인덕턴스는 낮아집니다. 이것이 고속 신호 트레이스를 인접한 레이어의 참조 평면에 가깝게 라우팅해야 하는 이유 중 하나입니다.

• 혼합 신호 보드에서의 간섭. 신호 전달 도체와 가장 가까운 참조 도체 사이의 기생 커패시턴스와 회로에 의해 생성된 루프는 스위칭 신호가 보는 리액턴스를 결정합니다. 리액턴스는 신호의 주파수 내용에 따라 달라지기 때문에, 중간 주파수에서 신호 반환 경로를 예측하기가 더 어려워집니다. 이 가이드를 읽고 단일 평면 레이어를 위한 혼합 신호 반환 경로를 설계하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

• 공통 모드 노이즈 경로. 일단 주어진 트레이스에 공통 모드 노이즈가 유도되면, 신호가 그라운드로 돌아가는 것과 같은 경로를 따르려고 합니다. 공통 모드 노이즈가 따르는 정확한 그라운드 반환 경로는 신호가 보는 리액턴스를 결정하는 주파수 내용에 따라 달라집니다.

여러 평면 레이어가 있는 다층 스택업에서 라우팅할 때 상황은 더 복잡해집니다. 참조 도체는 신호 경로를 따라 변경될 수 있기 때문입니다. 초기 참조 평면을 결정하는 주요 요소는 신호 트레이스와 인접 도체 사이의 기생 커패시턴스와 회로의 인덕턴스입니다. 인덕턴스 덕분에 기생 임피던스는 인접 도체에 국한되지 않으며, 이는 다층 보드에서 복잡한 그라운드 반환 경로를 생성할 수 있습니다.

이 트레이스들의 접지 반환 경로를 추적할 수 있나요?

튼튼한 접지 반환 경로로 돌아가기

위에서 제가 쓴 내용을 읽었고 복잡한 PCB에서 반환 전류가 어떻게 되는지 여전히 궁금해한다면, 전류가 접지면이나 다른 접지된 도체에 결합될 때 무슨 일이 발생하는지, 그리고 왜 이런 일이 발생하는지 자문해 볼 것입니다. 두 질문 모두 타당합니다.

인접 도체 간의 기생 현상

두 번째 질문부터 다루겠습니다. 왜냐하면 이것이 첫 번째 질문에 대한 답을 설명하는 데 도움이 되기 때문입니다. 반환 경로가 도입되는 위치는 신호 트레이스와 인접 도체 사이의 용량성, 그리고 신호 트레이스와 해당 도체로 형성된 회로의 자기 인덕턴스에 따라 달라집니다. 이 두 양은 신호에 의해 보이는 임피던스를 결정합니다.

임피던스가 가장 낮은 경로(이 경로는 기판을 통하거나 공기를 통할 수 있음에 유의하세요!)가 반환 전류가 따르는 방향입니다. 신호 트레이스와 후보 도체 사이에서 가장 낮은 임피던스(즉, 가장 강한 결합)를 제시하는 경로는 보통 가장 큰 용량성과 가장 작은 인덕턴스를 제공하는 가장 가까운 도체가 되는 경우가 많습니다.

전원 평면을 접지 반환 경로로 사용하기

이는 주어진 신호 트레이스보다 가장 가까운 접지 평면보다 전원 평면이 더 가까울 경우 전원 평면이 참조 도체로 작용할 수 있는 이유를 설명합니다. 전원 평면과 신호 트레이스 사이의 용량성/유도성 임피던스는 트레이스와 가장 가까운 접지 평면 사이의 그 값보다 훨씬 클 수 있습니다. 여기서 우리가 한 이야기는 신호가 다층 PCB에서 하나 이상의 층을 통과하면서 참조 평면을 변경할 수 있음을 효과적으로 설명합니다.

다층 PCB에서 전원 평면을 통과하는 신호의 예시 반환 경로.

이제 세 번째 질문입니다: 전원 평면에 결합된 반환 신호가 접지된 반환 경로로 어떻게 돌아갑니까? 전원 평면과 접지 평면 층은 일부 층간 용량을 가지고 있어, 반환 전류가 접지 평면으로 다시 결합할 수 있습니다. 전원 포트와 접지 평면 사이에 바이패스 커패시터가 연결된 경우, 전원 평면에서 유도된 반환 신호에 대해 일부 용량성 및 유도성 임피던스를 제공할 것입니다.

민첩한 설계자라면 일반적으로 전원 평면 위를 라우팅해서는 안 되며, 특히 고속/고주파수 보드에서는 반환 경로를 위해 저 임피던스 결합을 GND로 확실히 할 수 있어야 한다는 것을 인식해야 합니다. EMI를 줄이기 위해 항상 반환 경로를 염두에 두고 보드를 설계해야 합니다. 일반적으로 PWR 평면 위를 라우팅할 때 반환 경로는 근처의 decaps, 접지 영역을 연결하는 모든 비아, 또는 PWR 평면에서 GND 평면으로의 용량성 결합 변위 전류에 의해 제공됩니다. 여기서의 위험은 반환 경로를 보드를 통해 추적하기 어렵거나 불가능하게 되는 것이며, 특히 4층 스택업에서는 큰 전류 루프와/또는 고 임피던스 반환 경로의 생성으로 인해 강력한 EMI 원천이 됩니다.

Altium Designer^®의 강력한 PCB 설계 도구에는 이제 DRC 엔진에 내장된 접지 반환 경로 검사 도구가 포함되어 있습니다. 이를 통해 트레이스와 가장 가까운 참조 평면 사이의 편차에 대한 제한을 설계 규칙으로 정의할 수 있습니다. 그런 다음 이는 레이어를 생성할 때 Altium Designer의 라우팅 기능에 의해 자동으로 검사됩니다. 또한 신호 무결성을 분석하고 제조업체에 전달할 자료를 준비하기 위한 완벽한 도구 세트도 갖추게 됩니다.

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