고속 PCB 설계 고려 사항: 바이패스 커패시터 배치 및 라우팅 팁

작성 날짜: 시월 3, 2017
업데이트 날짜: 십이월 1, 2020

수년 전, 제가 참여했던 대부분의 보드 디자인은 간단한 디지털 디자인이었습니다. 이러한 디자인에서 바이패스 커패시터를 배치하고 라우팅하는 것은 매우 쉬웠으며, 대부분의 경우 회로가 충분히 느려서 세라믹 커패시터가 필요하지 않았습니다. 대부분의 경우 우리는 바이패스 커패시터의 배치와 라우팅을 주요 설계 고려 사항보다는 생각나는 대로 처리하는 경우가 많았습니다. 일부 엔지니어들이 마치 케이크 위의 캔디 장식처럼 여기저기에 바이패스 커패시터를 "뿌리라"고 지시한 것을 기억합니다. 사용할 개수, 배치 위치, 연결 방법에 대해 크게 신경 쓰지 않는 것 같았습니다.

나중에, 디자인의 복잡성과 속도가 증가함에 따라, 보드에서 더 세련된 전력 분배 네트워크(PDN) 설계의 필요성도 함께 증가했습니다. 이제 고속 디자인의 신호 무결성 요구 사항을 충족하기 위해, 정밀하게 설계된 PDN은 보드의 최상의 성능을 위해 필수적이 되었습니다.

고속 PCB 팁과 고속 디자인의 바이패스 커패시터 배치 요구 사항이 무엇인지, 그리고 그 지면 평면에서 어떤 배치 및 라우팅 전략이 여러분을 가장 잘 도울 수 있는지 살펴봅시다.

BW picture of capacitor against a schematic background
이 커패시터는 무엇을 하는가?

바이패스 커패시터는 무엇을 하는가?

고속 PCB의 프로세서 및 기타 IC는 전원 공급 장치가 제공할 수 없는 날카로운 전류 스파이크를 요구합니다. 전원 공급 장치는 짧은 버스트가 아닌 전체 PCB 레이아웃에 걸쳐 일정한 양의 전력을 공급하도록 설계되었습니다. 이 문제를 해결하기 위해, IC 근처에 바이패스 커패시터를 배치하여 이러한 빠른 스파이크에 필요한 전류를 공급할 수 있습니다. 바이패스 커패시터는 전력을 저장한 다음 초과 전류가 필요할 때 IC에 방전함으로써 이를 수행합니다. 이는 전원 공급 장치가 반응할 시간을 줍니다. 스파이크 이후에 바이패스 커패시터는 재충전되어 다음 주기를 위해 준비됩니다.

바이패스 커패시터는 또한 더 빠른 스위칭 시간을 가진 디지털 장치로부터 발생할 수 있는 그라운드 바운스를 줄이는 데에도 중요합니다. 바이패스 커패시터는 또한 전원 공급 장치로 인한 저주파 잡음을 필터링하는 데 사용되며 신호 무결성 및 EMI 문제 해결에도 도움이 됩니다.

얼마나 많은 바이패스 커패시터를 사용해야 하나요?

디자인에 필요한 바이패스 커패시터의 양은 해당 커패시터가 할당된 대상과 사용되는 그 대상의 수에 따라 달라집니다. 일반적으로 회로 기판의 각 전압 강하에 대해 10uF 범위의 벌크 커패시터가 사용됩니다. 이들은 전압이 발생하거나 회로 기판에 들어오는 위치에 배치되어야 합니다. 일부 장치에서는 고속 바이패스 커패시터와 함께 사용됩니다.

일반적으로, 각 IC마다 최소한 하나의 0.1uF 범위의 고속 바이패스 커패시터를 배치해야 합니다. 이들은 해당 IC에 가능한 가까이 배치되어 즉시 전류를 공급할 수 있어야 합니다. 여러 전원 핀을 가진 장치의 경우, 각 전원 핀마다 최소한 하나의 바이패스 커패시터를 갖추는 것이 좋습니다. 이는 회로 기판 공간을 더 많이 사용하게 되지만, 그라운드 바운스를 현저히 줄이는 데 크게 도움이 될 수 있습니다.

Picture of capacitors and other placed on a PCB
PCB에서 작동하는 커패시터 및 기타

바이패스 커패시터 배치 및 라우팅 모범 사례

앞서 언급했듯이, 바이패스 커패시터는 할당된 장치에 가능한 가까이 배치해야 합니다. 이는 PCB 레이아웃의 반대편에 있는 장치 아래나 바이패스 커패시터가 연결된 핀 바로 옆, 같은 보드 측면에 있을 수 있습니다.

특정 장치의 전원 핀 근처에 여러 개의 바이패스 커패시터를 배치해야 하는 회로의 경우, 커패시터는 값의 오름차순으로 해당 핀 옆에 배치해야 합니다. 예를 들어, 특정 장치에 .01uF와 10uF 커패시터가 모두 지정된 경우, .01uF를 장치에 가장 가깝게 배치하고 그 바깥쪽에 10uF를 배치합니다. 이 방식으로, 더 큰 벌크 커패시터가 장치 핀에 가장 가까운 고주파 커패시터를 재충전할 수 있습니다.

바이패스 커패시터를 배선할 때, 는 장치의 전원 또는 접지 핀에서 시작하여 커패시터 핀으로 직접 가야 합니다. 거기서부터 경로는 전원 또는 접지 평면에 연결하는 비아로 계속될 수 있습니다. 바이패스 커패시터를 연결하기 위해 가능한 한 짧고 넓은 PCB 트레이스를 사용하고, 전원 또는 접지 평면에 연결하기 위해 가능한 한 많은 비아를 사용해야 합니다.

고속 PCB 설계에서 최상의 전력 분배 네트워크를 위한 바이패스 커패시터의 배치와 라우팅은 중요한 부분입니다. 여기서 논의된 팁들은 여러분에게 좋은 시작점을 제공할 것이며, 또한 이용할 수 있는 다른 자원들도 있습니다. Altium Designer^®와 같은 PCB 소프트웨어는 PDN Analyzer^™ 와 같은 DC 분석 도구를 가지고 있습니다. 이러한 도구들을 사용하면 실제 보드를 제작하기 전에 PCB 레이아웃의 레이아웃 중에 전력 분배 네트워크 문제를 분석하고 해결할 수 있습니다.

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