고속 PCB 설계 팁 및 지침

이 기사에서는 고속 인쇄 회로 기판 설계를 위한 몇 가지 팁과 지침을 살펴보겠습니다.

고속 설계와 관련하여 우리는 일반적으로 두 가지 영역에 관심이 있습니다. 첫 번째는 신호 무결성(SI)과 트레이스 간격으로 인한 크로스토크, 임피던스 불일치로 인한 반사, 신호의 감쇠, 링잉과 같은 문제들입니다. 물론, 우리는 이러한 문제들을 최대한 줄이고 싶습니다. 두 번째로, 우리는 전자기 간섭(EMI)에 관심이 있습니다.

시작하기 전에, Altium의 YouTube 채널에서 Rick Hartley가 제대로 된 PCB 설계와 어떻게 제대로 된 접지를 달성할 수 있는지에 대한 훌륭한 비디오를 추천해야 합니다. 그 비디오에서 자세히 다룬 주제들은 고속 디지털 및 고속 아날로그 설계에 특히 중요합니다. 비디오를 확인해 보세요 여기.

"고속" PCB 설계란 무엇인가요?

이 고속 PCB 설계 및 레이아웃 팁에 대해 자세히 알아보기 전에, 우리가 실제로 이 모든 것에 대해 신경 써야 할 때가 언제인지 살펴보겠습니다!

예를 들어, 우리의 설계에서 100 MHz 클록 신호를 가지고 있다고 가정하고, 이것이 우리 시스템에서 나타나는 가장 높은 주파수라고 순진하게 생각해봅시다. 문제는 실제로 클록 신호가 100 MHz의 기본 주파수를 가지고 있다는 것이 아니라, 우리의 설계 문제가 이 거의 사각파 클록 신호의 상승 시간과 하강 시간에서 비롯된다는 것입니다.

디지털 저전압에서 디지털 고전압으로 (또는 그 반대로) 전환하는 이러한 급격한 변화는 기본보다 훨씬 높은 주파수 내용을 포함하고 있습니다. 신호의 상승 시간과 하강 시간(둘 중 어느 것이 더 빠른지에 따라)을 주어진 식을 사용하여 신호 내의 최대 주파수(또는 대략적인 대역폭)를 계산할 수 있습니다:

예를 들어, 1 ns 상승 시간을 가진 100 MHz 클록 신호의 경우, 그 신호의 대역폭은 500 MHz로—상당히 큰 차이입니다!

PCB 트레이스 길이가 유전체 내의 파장의 1/12를 초과할 때, 우리는 PCB 설계를 훨씬 더 자세히 고려하기 시작해야 합니다. 이때 우리의 트레이스는 더 이상 집중 소자처럼 보이지 않고 분산 길이 전송선처럼 보이기 시작합니다. 우리는 이 길이를 "중요 길이"라고 부릅니다.

팁 #1: 기준 평면

우리는 항상 신호 평면과 인접한 접지 평면이나 관련 전원 평면을 신호를 운반하는 층의 바로 아래(또는 위)에 두고 싶어합니다. 특정 경우에는 접지 평면 대신 관련 전원 평면을 참조로 사용할 수 있습니다. 여기서 관련이라는 것은 참조 평면의 전압이 신호가 파생된 동일한 전압이라는 의미입니다. 참조 평면은 적절한 반환 경로를 유지하고 전자기장 확산을 최소화하는 것뿐만 아니라 제어된 임피던스 트레이스가 필요할 때도 중요합니다. 

AC 신호의 경우, 몇 kHz 이상이면 반환 경로는 실제로 아래 참조 평면에 있는 신호 트레이스 바로 아래에 있습니다. 매우 중요한 규칙은 트레이스 아래 참조 평면에 분할이 없어야 한다는 것입니다.

팁 #2: 보드 스택업

우리는 신호 평면과 인접할 뿐만 아니라 전원 평면과도 인접한 접지 평면을 가지고 싶습니다. 또한 평면 사이에 얇은 유전체를 두는 것이 좋은데, 이는 긴밀한 결합을 제공할 뿐만 아니라 더 얇은 트레이스를 사용하여 더 조밀한 디자인을 할 수 있게 합니다.

더 얇은 트레이스는 또한 작업 공간을 더 많이 제공하고 트레이스 사이의 공간을 더 많이 제공합니다. 하지만, 얇은 트레이스의 제조가 더 어려울 수 있다는 점을 기억하세요.

팁 #3: 제어된 임피던스 트레이스

트레이스 길이가 이 글의 서론에서 논의된 중요 길이를 초과하는 즉시, 우리는 트레이스의 임피던스를 제어해야 합니다. 즉, 우리는 특정한 전송선 임피던스를 얻기 위해 선택한 PCB 스택업과 구성에 따라 트레이스의 폭을 조정해야 합니다. 일반적으로 단일 종단 신호의 경우 50 옴이 될 것입니다. Altium Designer는 강력한 2D 필드 솔버를 특징으로 하며, 스택업과 구성에 따라 필요한 트레이스 폭을 몇 초 안에 계산할 수 있습니다!

팁 #4: 트레이스 길이, 간격, 그리고 3h 규칙

고속 트레이스는 가능한 한 짧게 유지해야 합니다—이는 EMI와 SI에 도움이 됩니다. 추가적으로, 우리는 크로스토크를 최소화하기 위해 서로 다른 고속 트레이스를 가능한 한 멀리 유지하고자 합니다.

또한, 고속 트레이스를 인덕터나 회로의 전원 부분과 같은 구성 요소로부터 멀리 유지하는 것을 목표로 합니다. 일반적인 경험칙은 3h 규칙으로, 이는 신호 층과 다음 접지 또는 참조 층 사이의 유전체의 높이의 최소 세 배만큼 트레이스를 분리해야 함을 의미합니다.

고성능, 고속 설계의 경우, 필요한 신호 무결성과 EMI 성능을 충족하고 있는지 확인하기 위해 시뮬레이션 도구가 종종 필요합니다.

Altium Designer on Altium 365 는 지금까지 소프트웨어 개발의 세계에 국한되었던 전자 산업에 전례 없는 통합을 제공하여, 디자이너가 집에서 작업하고 전례 없는 수준의 효율성에 도달할 수 있게 합니다. 또한, 활용할 수 있는 추가적인 고속 PCB 설계 및 레이아웃 지침이 포함된 다수의 고속 PCB 설계 튜토리얼도 있습니다.

우리는 Altium Designer를 Altium 365에서 사용하여 할 수 있는 것들의 겉면만 긁어본 것에 불과합니다. 더 깊이 있는 기능 설명을 원하시면 제품 페이지 를 확인하거나 고속 PCB 설계 및 레이아웃 기술에 대한 더 많은 정보를 얻고 싶으시면 온디맨드 웨비나 를 확인해 보세요.