PCB 설계에서 EMI 제어 마스터하기: PCB 내에서 신호가 전파되는 방법

전자기적 호환성(EMC)을 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 설계는 전자기장과 전류의 관점에서 신호 전파에 대한 확고한 이해가 필요합니다. 이러한 개념은 전자기장 방출 수준이 낮고 외부 방출이나 간섭에 대한 감도가 낮은 PCB를 설계하는 데 중요한 역할을 합니다.

이 PCB 설계에서 EMI 제어 마스터하기 시리즈의 첫 번째 기사에서는 이러한 개념을 더 깊이 탐구하고 이를 인쇄 회로 기판 설계에 어떻게 적용할 수 있는지 살펴보겠습니다.

전송선에서 신호 전파의 개념

PCB에서 신호가 어떻게 전파되는지를 생각할 때, 물이 파이프를 통해 흐르는 것과 같은 비유에서 벗어나 전자기장과 전송선의 관점에서 생각하는 것이 중요합니다. 전송선은 전자기장 형태로 에너지를 한 지점에서 다른 지점으로 전송하기 위해 설계된 구조입니다. 인쇄 회로 기판의 맥락에서 전송선은 최소 두 개의 도체로 형성됩니다. 두 도체 모두 전자기장을 포함하고 회로 내에서 한 지점에서 다른 지점으로 신호를 안내하는 데 있어 똑같이 중요합니다. 두 도체 중 하나가 없으면 신호를 구성하는 전자기장이 포위되지 않으며, 이로 인해 이러한 전자기장의 확장으로 인해 EMC 테스트에서 실패할 수 있습니다.

여기서 중요한 개념은 전자기 신호가 도체 내부에 포함되지 않고 두 도체 사이, 즉 유전체와 그 주변 공간에 포함된다는 것입니다. EMC의 관점에서 우리의 목표는 두 도체 사이에 포함된 전자기장을 최대한으로 하고, 그 주변의 전자기장은 최소화하는 것입니다.

그림 1 - PCB에서 디지털 신호 전파의 표현

PCB에서 신호 전파에 사용되는 두 도체는 신호 전위 도체와 반환 및 기준 전위 도체입니다. 이를 가장 쉽게 상상할 수 있는 방법은, 상단 레이어가 신호 소스에 연결되어 신호 트레이스를 라우팅하고, 하단 레이어가 신호 소스에 연결되며 동시에 신호 전위 기준에 연결된 고체 구리 레이어인 두 레이어 보드를 생각하는 것입니다 (그림 1 참조). 우리가 신호라고 부르는 것은 이 두 도체 사이에 포함된 전자기장입니다. 즉, 신호는 단일 도체 내에 포함된 것이 아니라 이 두 도체 사이의 유전체에 포함된 전자기 에너지입니다. 이것은 또한 유전체 재료의 특성이 신호 전파, 특히 신호(또는 EM파)의 전파 속도, 즉 유전체 내에서의 빛의 속도에 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 두 도체 사이에는 신호가 존재하는 지점과 아직 신호가 도달하지 않은 지점이 있습니다. 디지털 신호에서, 우리가 전체 신호를 갖고 있는 영역과 아직 신호가 도달하지 않은 영역 사이의 점을 신호 가장자리 또는 신호 파형이라고 합니다. 이것은 디지털 신호에서 저수준 논리에서 고수준 논리로 전환되는 지점입니다.

EMC 관점에서 이 지점은 매우 중요합니다. 왜냐하면 이곳에서 전기장과 자기장이 도체 사이에서 저수준에서 고수준으로 전환되기 때문입니다. 에너지 상태가 더 빨리 변화할수록, 즉 신호가 저수준에서 고수준 논리로 더 빠르게 전환될수록, 더 많은 에너지 변화가 짧은 시간 내에 압축됩니다. 신호가 전송선에서 소스에서 목적지로 전파되면서 신호 파형 또는 신호 가장자리가 신호 전파를 이끕니다.

순방향 전류, 반환 전류 및 변위 전류

또 하나 중요한 개념은 신호 가장자리가 전파됨에 따라 이 선도 가장자리가 전자기장의 변화이므로 두 도체 사이의 유전체에서 변위 전류가 발생한다는 것입니다. 이 현상은 Oliver Heaviside가 제안한 네 가지 Maxwell 방정식, 특히 Ampere-Maxwell 법칙에 의해 설명됩니다. 이를 가장 쉽게 이해할 수 있는 방법은 AC 소스가 적용될 때 커패시터에서 전류가 어떻게 흐르는지 생각하는 것입니다 (그림 2 참조).

그림 2 - (a) E장이 적용되지 않은 커패시터 (b) 양의 E장이 적용된 커패시터 (c) 음의 E장이 적용된 커패시터

실제로 커패시터의 플레이트와 유전체 사이에는 전도 전류가 존재하지 않지만, 유전체 내의 구속된 전하가 단순히 커패시터 플레이트의 적용된 전기장을 따라 편극(변위)됩니다. 이는 전도 전류가 커패시터 플레이트를 통해 흐르는 것처럼 보일 것입니다. 변위 전류의 개념은 신호 전파 중 전류가 부하에 도달하기 전에도 어떻게 형성될 수 있는지 이해하는 데 중요합니다. 고전 회로 이론 수업에서 배운 바와 같이 전류는 항상 루프 안에서 흐릅니다. 그렇다면 신호가 부하에 도달하기 전에, 따라서 전도 전류가 소스에서 부하로, 다시 소스로 돌아가면서 전류 루프를 형성하기 전에 전류가 어떻게 존재할 수 있을까요? 이는 변위 전류 덕분에 가능합니다. 변위 전류가 없었다면, 전도 전류만으로는 신호 전파가 이루어지지 않았을 것입니다. 변위 전류 덕분에 신호가 전파되면서 루프가 즉시 닫히는 것입니다.

전도 전류와 변위 전류의 결합은 신호 가장자리를 따라 전파되는 전류 루프를 형성합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 이 전류 루프는 세 부분으로 나눌 수 있습니다:

그림 3 - 전류 루프와 변위 전류

• 전류는 상층의 도체에서 신호가 부하로 향하는 방향으로 흐릅니다.
• 복귀 전류는 신호의 반대 방향으로 하층 도체에서 원점으로 되돌아갑니다.
• 변위 전류는 두 도체 사이의 유전체를 통해 흐르며 신호 가장자리를 따라 다른 두 부분의 전류를 연결합니다.

EMI 제어를 위한 신호 에너지의 억제

도체 사이의 전자기장을 억제하고 전류 흐름 경로를 제어하는 것은 PCB 설계에서 우수한 전자기 호환성과 신호 무결성을 달성하는 데 매우 중요합니다 (그림 4 참조).

그림 4 - Altium Designer® 3D 뷰어로 설계된 고급 PCB 예시

이 접근 방식은 PCB 구조에서 외부 간섭의 결합을 방지하고 발산을 제어할 수 있게 합니다.

다음 기사에서는 EMI를 효과적으로 줄이기 위한 부품 배치 개선 방법을 논의할 것입니다. 놓치지 않으려면 우리의 페이지와 소셜 미디어를 팔로우하여 최신 정보를 확인하세요.

결론

이러한 높은 기준을 충족하는 PCB를 설계하려면 설계의 모든 측면을 정밀하게 제어할 수 있는 고급 도구가 필요합니다. Altium Designer®는 PCB 설계 레이아웃 및 시뮬레이션 기능을 완벽하게 제공하여 설계 요구 사항을 충족하도록 합니다. 통합된 설계 규칙 엔진과 온라인 시뮬레이션 도구는 PCB 배선 작업 중에도 설계 사양에 대한 준수를 확인할 수 있게 도와줍니다.

설계가 완료되면 Altium 365™ 플랫폼을 통해 제조업체로 파일을 원활하게 전송할 수 있으며, 이 플랫폼은 협업과 프로젝트 공유를 간소화합니다.

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