PCB 설계에서 가드 트레이스란 무엇이며, 그것은 효과가 있을까요?

PCB 레이아웃에서 가드 트레이스에 대한 논의는 여전히 많은 상반된 정보가 존재하는 주제 중 하나입니다. 가드 트레이스 사용에 대해 다양한 참고 자료를 찾을 수 있습니다. 어떤 유형의 설계—아날로그 회로, 혼합 신호 또는 디지털—가 가드 트레이스의 사용으로 가장 큰 이점을 얻는지, 가드 트레이스가 EM 필드를 어떻게 차단하는지, 트레이스 끝이 부유 상태, 한쪽 끝이 접지되거나 양쪽 끝이 접지되는 것이 중요한지, 그리고 어떤 유형의 트레이스가 가드 트레이스 사용으로 가장 큰 이점을 얻는지—마이크로스트립 또는 스트리플라인—에 대한 혼란이 있습니다. 이 글은 이러한 모든 주제를 다루고, 가드 트레이스가 구현 방식에 관계없이 실제 가치를 제공하지 않으며, 트레이스의 평면 위 높이와 트레이스 간의 분리가 크로스토크를 제어하는 최선의 방법임을 문서화한 실제 하드웨어에서의 데이터를 제시할 것입니다.

가드 트레이스의 기원

가드 트레이스는 특히 매우 높은 임피던스, 저소음 아날로그 PCB 디자인 및 매우 낮은 전원 소스를 가진 특정 제품 구현에서 일부 가치가 있습니다. 예를 들어, 고임피던스와 저주파를 가진 EKG 기계의 경우, 외부에서 트레이스로의 커패시턴스 커플링이 발생할 위험이 있습니다. 신호가 너무 낮아 외부에서 조금만 방해를 받아도 쉽게 영향을 받습니다. 이 경우, 신호 트레이스 주변에 가드 트레이스를 배치하면 커패시티브 커플링을 억제할 수 있습니다. 그렇다면 아날로그 대 디지털 디자인은 어떨까요? 제품이 아날로그 장치인지 디지털 장치인지에 따라 가드 트레이스의 가치를 가드 트레이스 유무로 나누는 것은 어렵습니다. 아날로그를 기반으로 상황을 정의하는 것은 너무 일반적인 용어입니다. 예를 들어, 고전력 오디오 앰프도 아날로그입니다.

혼합 신호 설계에도 동일한 원칙이 적용되며, 이들이 가드 트레이스의 좋은 "대상"으로 분류될 수 있는지 여부도 마찬가지입니다. 혼합 신호 제품 구현은 아날로그 신호로 시작하여 어느 시점에서 디지털 신호로 변환됩니다. 이는 A에서 D로의 변환기에 의해 이루어지며, 이것이 혼합 신호 제품의 일반적인 정의입니다. 오늘날의 제품 구현에서 모든 라디오는 내부적으로 디지털이며, 심지어 RF 부분도 마찬가지입니다. RF 디지털 회로는 더 이상 L(인덕턴스)과 C(캐패시턴스) 네트워크로 만들어지지 않습니다. 예를 들어, 모바일 폰에서는 L이나 C를 어디에서도 찾아볼 수 없습니다. 안테나는 곧바로 아날로그 신호를 디지털 신호로 즉시 변환하는 칩으로 연결되며, 이는 매우 높은 RF 주파수에서도 마찬가지입니다. 가드 트레이스 사용에 관한 현재 유통되고 있는 다양한 정보 소스에서는 근단 및 원단 크로스토크가 모두 언급된다는 점도 주목할 필요가 있습니다. 디지털 세계에서 우려되는 크로스토크는 역방향 크로스토크입니다. 이는

그림 1에서 나타납니다.

가드 트레이스란 무엇인가?

가드 트레이스의 전체 아이디어는 두 전송 라인 사이에 가드 트레이스를 배치하면 두 전송 라인 사이의 전자기장을 차단하고 그 사이에서 발생하는 원치 않는 크로스토크를 억제한다는 것입니다. 실제로, 두 전송 라인 사이에 가드 트레이스를 삽입하면 그 사이의 공간이 증가하고, 바로 이 공간 증가가 크로스토크를 줄이는 것이지 가드 트레이스 자체가 아닙니다. 만약 전선이 전자기장을 막을 수 있다면, 변압기는 작동하지 않을 것입니다. 기대되는 것은 에너지가 그 전선을 지나갈 때, 일부가 중간에 픽업된다는 것입니다. 우리는 변압기를 만드는 데 이를 의존합니다. 전선은 자기장을 막지 않습니다.

트레이스는 분산된 LC 네트워크로, 특정 주파수에서 공진합니다. 만약 그 형태가 적절하다면, 설계에서 관심 있는 주파수에서 공진하여 대역 통과 필터를 생성할 수 있으며, 이는 크로스토크를 감소시키는 것이 아니라 증가시킵니다. 그림 2는 이러한 설계를 보여줍니다. 이는 1980년대 후반에 제작된 실패한 슈퍼컴퓨터 백플레인의 아트워크입니다. 프로젝트의 엔지니어들은 백플레인 전송선의 임피던스가 드라이버를 과부하시킬까 우려했습니다. 이를 방지하기 위해, 백플레인의 임피던스는 70 옴으로 설정되었습니다. 백플레인의 설계자들은 원하지 않는 크로스토크를 제어하기 위해 가드 트레이스를 삽입했습니다. 가드 트레이스의 길이는 컴퓨터의 클록 주파수에서 공진하게 되었습니다. 결과적으로, 백플레인을 가로질러 전파되는 신호들 사이에 원치 않는 결합이 발생하여 컴퓨터가 불안정해졌습니다. 해결책은 설계를 폐기하고 처음부터 다시 시작하는 것이었습니다. 중요한 시장 창구를 노리고 전체 제품 개발 비용을 통제하려 할 때 결코 좋은 아이디어가 아닙니다.

오늘날의 인터넷 제품에서는 PCB가 회로와 신호 트레이스로 너무 혼잡하여 가드 트레이스를 위한 공간이 없다는 점도 주목할 만합니다. 그것들은 물리적으로 불가능합니다.

그림 2. “가드” 트레이스가 있는 백플레인 버스

가드 트레이스가 크로스토크를 어떻게 제어하는가?

가드 트레이스의 종단 방식이 크로스토크 제어 효율성을 높이는 방법에 대해 상당한 정보가 있습니다. 옵션은 다음과 같습니다: 부유 가드 트레이스; 한쪽 끝이 종단된 가드 트레이스 및 양쪽 끝이 종단된 가드 트레이스입니다. 실제로 가드 트레이스의 종단 방식에 관계없이, 모든 가드 트레이스는 공진 LC 네트워크이며 대역 통과 필터를 생성할 수 있으며, 그들이 주장하는 바를 수행하지 않습니다.

또한, 트레이스의 양쪽 끝을 접지면에 연결한다고 해서 트레이스가 "접지"에 추가되었다는 의미는 아니며, 전자기장을 차단할 수 있는 능력이 있다는 의미도 아닙니다. 어떤 종류의 전선이든, 끝이 어떻게 연결되어 있든 전자기장을 차단하지 않습니다. 트레이스 간의 분리가 크로스토크가 어떻게 제어되는지를 결정합니다. 그림 3은 두 라인 사이의 간격을 늘리는 것이 그 라인들 사이의 크로스토크를 제어하는 방법임을 보여줍니다.

그림 3. 역방향 크로스토크 대 가장자리 간격 및 가장 가까운 평면 위 높이

또한, 가드 트레이스가 스트립라인 구성에서 효과적이기 위해서는 가드 트레이스의 길이가 결합된 길이와 정확히 같아야 한다고 주장됩니다. 다시 말하지만, 가드 트레이스의 기하학적 특성은 트레이스 간의 공간이 결합을 얼마나 잘 완화하는지 결정하기 때문에 크로스토크를 제어하는 능력에 영향을 미치지 않습니다.

PCB 가드 트레이스: 마이크로스트립 대 스트립라인

여러 출처에 따르면 가드 트레이스의 효과는 마이크로스트립 대비 스트립라인 토폴로지에서 다르며, 그 결과 가드 트레이스는 마이크로스트립 토폴로지에서는 효과적이지 않지만 스트립라인에서는 가드 트레이스의 양 끝이 접지에 단락되어 있는 한 효과적입니다. 가드 트레이스의 종단 여부가 중요하지 않으므로, 어느 구성에서든 그 효과도 중요하지 않습니다.

가드 트레이스는 작동합니까?

크로스토크를 제어하는 것이 무엇이 효과적인지 이해하는 것은 물리학의 기본 규칙과 전자기장이 어떻게 작동하는지 이해로 돌아갑니다.

클래식 라우팅은 항상 5밀(mil) 선과 5밀(mil) 간격이었습니다. 이러한 간격을 평면 위로 5밀(mil) 높이와 함께 가질 수 있습니다. 이것은 PC 마더보드와 같은 4층 PCB에서 가질 수 있는 구성입니다. 이것은 8%의 크로스토크를 줄 것입니다. 만약 이것을 원하지 않고 가드 트레이스를 삽입했다면, 전송 라인의 가장자리 간격을 15밀(mil)로 분리해야 합니다. 이것은 크로스토크를 0.8%로 줄입니다. 이것은 크로스토크에서 10 대 1의 감소이며, 이것이 가드 트레이스 때문이라고 가정됩니다. 실제로는 가드 트레이스가 아니라 트레이스 사이의 공간이 커플링을 줄인 것입니다. 일단 분리의 물리학을 이해하면, 크로스토크가 설계 과정의 일부로 본질적으로 제어되는 방식으로 PCB를 설계하는 것이 쉬워집니다.

PCB 설계에서 크로스토크를 제어하려면 전송선이 단단한 평면 위를 지나가고 DC라고 명명된 접지가 필요하지 않아야 합니다. Vdd 평면일 수도 있습니다. 이 방식으로 에너지는 트레이스와 평면 사이에 있습니다. 평면이 전송선에 가까울수록 에너지가 트레이스와 평면 사이로 가고 인접한 트레이스로 가지 않도록 보장할 수 있습니다. 이상적으로, PCB 스택업 과정을 시작할 때 트레이스를 가능한 한 평면에 가깝게 배치합니다. 그런 다음, 제조할 수 있는 숫자를 선택합니다. 대부분의 경우, 4 mils보다 더 가까워질 수 없습니다. 따라서, 4 mils에서 시작하여 크로스토크 목표와 임피던스 목표를 위한 트레이스 폭에 대한 분리를 설정합니다.

모든 가드 트레이스 데이터를 어떻게 평가합니까?

가드 트레이스의 효과와 관련하여 내린 결론을 모두 지원한다고 주장하는 업계의 많은 데이터가 있습니다. 하지만, 제공되는 시뮬레이션과 방정식이 이론에 기반을 두고 있으며 실제 하드웨어에서의 결과가 아니라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 시뮬레이션은 가치가 있지만, 실제 물리적인 회로 보드 증거로 뒷받침될 때만 정확하다고 간주될 수 있습니다.

결국, 가드 트레이스가 크로스토크를 제어할 수 있을까요?

PCB의 가드 트레이스는 구현 방식이나 종단 방식에 관계없이 크로스토크를 제어하지 못합니다. 실제로, 가드 트레이스는 밴드패스 필터를 생성할 수 있기 때문에, 크로스토크를 줄이는 것이 아니라 오히려 증가시킬 수 있습니다. 물리학의 기본 원리와 전자기장이 어떻게 작동하는지에 대한 좋은 이해가 크로스토크를 줄이는 데 있어 최고의 무기입니다.

더 궁금한 점이 있으신가요? Altium의 전문가에게 문의하거나 Altium Designer^®를 사용하여 크로스토크를 피하는 방법에 대해 알아보세요.

참고 문헌:

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “처음부터 올바르게, 고속 PCB 및 시스템 디자인 실용 핸드북, 제1권.”