플렉스 PCB에서 해치드 그라운드 플레인 임피던스 시뮬레이션

유연한 PCB와 강성 유연 PCB 모두 고속 신호를 전달할 수 있으며, 이 중 일부는 제어된 임피던스를 요구합니다. 유연한 PCB에서 제어된 임피던스를 구현하는 것은 여러 가지 이유로 쉽지 않은 작업입니다. 제어된 임피던스 경로를 선택하는 경우, 제조업체가 임피던스를 테스트하고 스택 업을 조정하는 경우, 이를 수행할 자유가 거의 없습니다. 이는 유연한 레이어의 두께를 너무 두껍거나 너무 얇게 만들 수 있기 때문입니다. 제어된 유전체 경로로 가면, 접지면의 구조가 임피던스에 대한 전형적인 모델을 무효화하므로, 적절한 임피던스를 결정하기가 매우 어렵습니다.

불행히도, 이는 유연한 PCB에서 단일 트레이스와 차동 쌍의 임피던스를 결정하기 위해 일부 시뮬레이션 또는 일부 테스트 데이터를 사용해야 함을 의미합니다. 모든 제조업체가 이 데이터를 제공할 수 있는 것은 아니며, 이 데이터를 가지고 있다 하더라도 공개적으로 제공하지 않을 수 있습니다. 차동 쌍의 경우, 임피던스를 결정하는 데 있어 간격도 중요한 요소가 됩니다.

이 글에서는 Lukas Henkel의 작업에서 영감을 받아 해치드 접지면에서 트레이스 임피던스 결정을 위해 사용할 수 있는 간단한 시뮬레이션 결과와 워크플로우 세트를 소개할 것입니다.

해치드 접지면 임피던스 시뮬레이션 동기

최근에 우리는 Lukas Henkel과 후속 인터뷰를 진행했는데, 여기서 그의 오픈 소스 랩톱 프로젝트에 대한 진행 상황에 대해 논의했습니다. 이 프로젝트는 오픈 소스 랩톱을 위한 메인보드뿐만 아니라 주변기기를 만드는 것을 포함하며, 주변기기 중 하나는 디스플레이 상단 부분에 위치하는 웹캠입니다. 더 알아보려면 우리의 인터뷰 클립을 확인하거나 YouTube에서 전체 에피소드를 시청하세요.

이 클립에서 웹캠 부분의 디자인을 언급할 때, 웹캠은 플렉스 PCB를 사용하여 메인보드에 연결됩니다. 카메라에서 CPU로 데이터를 라우팅하기 위해서는 고속 직렬 링크가 필요합니다. 이를 위해 MIPI CSI-2, 직렬 데이터를 소스 동기식 차동 클록과 함께 네 개의 병렬 레인을 통해 전송하는 고속 차동 인터페이스를 사용해야 합니다. 총합으로, 이는 카메라와 메인보드 사이에 다섯 쌍의 차동 쌍을 운영합니다.

4개의 데이터 레인과 소스 동기식 클록 레인을 통한 CSI-2 라우팅. 각 차동 쌍 내의 두 트레이스는 길이 조정이 필요하며, 차동 쌍은 이 그룹 내에서 일치해야 합니다.

차동 인터페이스인 경우, 100 옴의 임피던스 제어가 필요한 차동 쌍을 사용하십시오. 강성 PCB에서는 이것이 꽤 쉽습니다. 레이어 스택 관리자와 Altium Designer 또는 다른 시뮬레이터를 사용하여 스택업 단면에 기반한 손실 없는 임피던스를 빠르게 얻으십시오. 유연 PCB에서는 이것이 그리 쉽지 않습니다. 왜냐하면 유연 PCB는 해치드(격자 무늬) 접지면을 사용하기 때문입니다. 이제 이것이 왜 그런지를 보여주는 이론을 간략히 살펴보겠습니다. 그런 다음 Lukas의 유연 리본에 대한 몇 가지 시뮬레이션 결과를 보여줄 수 있으며, 이는 차동 임피던스와 차동 S-파라미터를 자세히 설명할 것입니다.

임피던스 결정에 있어 중요한 파라미터는 채움 비율입니다

해치드 접지면이 있는 유연 PCB에서 구리 연결의 임피던스를 평가할 때, 연결에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하는 데 사용할 수 있는 도구 중 하나는 입력 임피던스입니다. 해치드 접지면의 구조를 살펴보면, 해치에는 구리가 제거된 일부 영역이 있으며, 이는 일반적으로 정사각형 또는 다이아몬드 모양이며, 이 영역은 해치드 접지면을 구성하는 반복되는 영역 요소의 일부분으로 정의될 수 있습니다. 이 비율을 "채움 비율"이라고 부르며, 아래 이미지에서 보여주는 것처럼 정의할 수 있습니다.

이제 위 구조의 다른 영역을 통해 트레이스를 라우팅해 보겠습니다. 트레이스의 일부 구간은 고체 구리 위를 지나가고, 다른 구간은 구리가 제거된 영역을 라우팅할 것입니다. 트레이스 근처의 접지의 변화는 임피던스에 영향을 미치며, 이는 이 라우트에서의 신호 무결성에 영향을 줍니다. 트레이스의 길이를 따라, 트레이스와 구리 사이 거리의 함수인 고임피던스와 저임피던스의 변화를 기대할 수 있습니다.

라우트의 길이에 따라 임피던스의 변화가 있기 때문에, 이 구조는 주기적으로 연결된 전송선입니다. 연구 문헌에서 이러한 유형의 구조를 구체적으로 설명하는 좋은 자료를 본 적이 없지만, 이 글에서이를 언급합니다. 어쨌든, 각 섹션에는 다음 전송선 섹션의 용어로 쓸 수 있는 입력 임피던스가 있습니다:

더 단순한 용어로, 각 전송선 구간의 특성 임피던스를 알고 있다면, 유도적 계산을 통해 S-파라미터의 합리적인 추정치를 얻을 수 있으며, 이는 파이썬 스크립트나 엑셀에서 충분히 간단하게 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 구리 위와 해치(hatch) 영역의 임피던스를 알고 있다면, 위의 방정식을 반복적으로 사용하여 입력 포트에서의 반환 손실 (S11)을 추정할 수 있을 것입니다.

이 방법이 고체 평면을 가정한 다음 일정한 보정 계수를 적용하는 것보다 더 정확하다고 주장할 수 있지만, 이는 추가 연구가 필요한 주제라고 생각합니다. 어쨌든 해치된 접지면 위의 단일 종단 또는 차동 임피던스에 대한 추정치를 얻게 되면, 결국 이를 검증해야 하며, 이를 위해서는 3D 시뮬레이션이 필요합니다.

해치된 접지면의 3D 시뮬레이션

해치된 접지면에서의 인터커넥트 성능을 보다 완전히 검증하기 위해, 아래에 제시된 Lukas Henkel이 제공한 오픈 소스 노트북용으로 사용된 플렉스 리본을 사용할 것입니다. 아래 이미지는 플렉스 리본과 두 영역에서의 트레이스 라우팅, 그리고 각 영역에서의 트레이스 그룹을 보여주는 3D 뷰를 보여줍니다.

레이어 1:

Layer 2:

먼저, 각 섹션의 특성 임피던스 값을 얻기 위해 Simbeor의 규정 분석기를 사용하여 트레이스 단면을 기반으로 임피던스를 얻습니다. 두 영역이 검토되어 비교되었습니다. 카메라 커넥터에서 직접 나오는 직선 영역에서, 단일 종단 라인의 임피던스는 훨씬 낮은 변동을 보이는 것으로 나타났습니다; 임피던스는 직선 구간을 따라 30-40 옴에서 변동합니다. 플렉스 케이블의 곡선 영역에서는 임피던스 변동이 훨씬 크며 특성 임피던스는 30-60 옴에서 범위를 보입니다.

넓은 선폭(W/H = 4)은 구리 위에 매우 낮은 홀수 모드 임피던스 영역을 생성하는 반면, 구리 사이의 영역은 50 옴 목표에 훨씬 가깝습니다. 정확한 변동은 대략 28-62 옴이거나 평균적으로 45 옴의 홀수 모드 임피던스입니다. 차동 임피던스는 약간의 변동을 가진 대략 78 옴입니다.

직선 영역:

곡선 영역:

우리가 이미 본 바에 따르면, 링크를 따라 큰 임피던스 편차가 있지만 그 길이가 작으므로 이 링크를 따라 일부 모드 변환이 있을 것으로 예상합니다. 이 링크에 대한 전체 S-파라미터 행렬은 손실과 모드 변환을 알려줄 것이며, 결과는 다음 섹션에 나와 있습니다.

CSI-2 S-파라미터 결과

이제 임피던스가 제어되는 CSI-2 링크의 S-파라미터를 살펴보겠습니다. 위에 표시된 단면 임피던스 값만을 기반으로 할 때, 연결을 따라 실제 반환 손실이 어떻게 될지 매우 불분명해집니다. 따라서, 매우 높은 주파수까지 반환 손실을 결정하기 위해 이 기하학에서 S-파라미터 시뮬레이션을 실행합니다. 아래 이미지는 위에서 강조한 CSI-2 레인의 결과를 보여줍니다.

반환 손실은 CSI-2 링크에 필요한 한계 내에서 수용 가능하며, 채널 대역폭 내에서 트레이스의 너비 덕분에 삽입 손실이 매우 낮지만 대역 한계를 넘어서면 급격히 감소합니다. 여기서의 한 문제는 모드 변환, 특히 SCD21(오른쪽 하단 그래프)는 격자 무늬 접지면의 불연속적인 특성을 고려할 때 예상되는 결과입니다. 이 링크에는 MIPI C-PHY 한계와 비교해야 할 많은 모드 변환이 있습니다.

반환 손실과 삽입 손실 결과를 개선하고 싶다면, 차동 링크의 채움 비율과 간격을 조정해야 합니다. 그런 다음 다시 시뮬레이션을 수행하고 S-파라미터가 개선되었는지 확인해야 합니다. 아래의 작업 흐름 섹션에서 자세한 내용을 확인하세요.

결과 및 작업 흐름 요약

우리의 목적에서, PCB 상의 트레이스 라우팅만을 살펴보는 경우, 이 결과는 수용 가능합니다. 실제로는 전체 인터커넥트의 S-파라미터가 커넥터로 들어오는 케이블 인터페이스에서의 임피던스 불일치에 따라 달라질 것입니다. 위에 표시된 것을 넘어 시뮬레이션을 확장하려면 다음을 수행해야 합니다:

1. 이 링크의 S-파라미터에 대한 Touchstone 파일을 내보냅니다.
2. 각 끝에 있는 커넥터에 대한 Touchstone 파일을 가져옵니다.
3. CPU와 카메라 칩으로 이어지는 링크에 대한 Touchstone 파일을 가져옵니다.
4. 이 모든 것을 선형 네트워크 모델에 추가합니다.
5. 전체 연쇄 네트워크의 S-파라미터를 결정합니다.
6. 이러한 결과에 따라 CSI-2 차동 쌍 아래에 있는 해치드 그라운드의 채움 비율을 조정해야 할 수도 있습니다.
7. 반복하고 다시 시도하십시오..

위의 과정은 CSI-2 레인의 트레이스 임피던스를 결정하기 위해 구현되어야 하는 워크플로우를 보여줍니다. 해치드 그라운드 플레인 위의 트레이스 임피던스 예측을 위해 사용될 수 있는 정확한 분석 결과가 부족하기 때문에, 채움 비율을 기반으로 한 추정치로 시작한 다음 몇 가지 변형을 통해 적절한 트레이스 임피던스를 얻기 위해 반복해야 합니다. 다음과 같은 워크플로우를 제안합니다:

1. 제안된 해칭 디자인으로 시작하여 채움 비율을 계산합니다.
2. 변형으로 사용될 추가적인 두 개의 채움 비율을 계산합니다.
3. 이러한 변형을 가진 작은 테스트 보드를 디자인하고 각각에서 S-파라미터를 시뮬레이션합니다.
4. S-파라미터 결과를 검토하고 최적의 채움 비율을 선택합니다.
5. 차동 쌍의 경우, 결과를 검토하고 차동 임피던스를 증가시키거나 감소시키기 위해 간격을 조정해야 하는지 결정합니다.
6. 수정된 차동 링크를 시뮬레이션하고 S-파라미터를 확인합니다.
7. 반복하고 다시 시도하십시오.

이 세 가지 시뮬레이션을 통해, 그리고 차동 쌍 간격을 조정하는 것을 기반으로 한 네 번째 시뮬레이션을 추가할 수 있다면, 대략 8시간의 시뮬레이션 시간으로 단 네 번의 시뮬레이션만으로 사용 가능한 인터커넥트 디자인에 도달할 수 있습니다. 이는 하루 안에 완료하기에 충분히 빠릅니다.

플렉스 PCB에서 해치드 그라운드 플레인을 통한 단일 종단 및 차동 링크의 성능에 대한 더 많은 통찰을 제공하기 위해, 더 큰 기하학적 연구를 할 계획입니다. 이는 많은 채움 요소 매개변수를 변화시키고 단일 종단 및 차동 임피던스에 대한 가장 효과적인 추정기로서 어떤 기하학적 매개변수가 있는지 결정하는 것을 포함할 것입니다. 이 블로그 시리즈를 계속 따라오세요.

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