EMI 제어 마스터하기: EMC 설계를 위한 스택업 선택 방법

전자기 호환성(EMC) 측면에서 우수한 성능을 발휘하는 PCB를 설계할 때 마스터해야 할 가장 중요한 개념 중 하나는 PCB의 층 구성을 선택하는 것입니다.

그림 1 - Altium Designer의 레이어 스택 관리자 도구

이것은 우리의 PCB 설계에서 전자기장을 억제하는 것과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 가장 중요한 측면 중 하나가 됩니다.

이 PCB 설계에서 EMI 제어 마스터하기 시리즈의 세 번째 기사에서, 우리는 이러한 개념을 더 깊이 탐구할 것이며, 다른 중요한 EMC 개념에 대해서도 살펴볼 것입니다.

회로에서 신호가 전파되려면 완전한 전류 루프를 형성하기 위해 두 개의 도체가 필요합니다. 한 도체가 신호를 전달하고 다른 하나는 반환 경로를 제공하여 전류가 흐르고 신호가 효과적으로 전송될 수 있도록 합니다. 우리는 이 도체 중 하나를 신호 도체라고 하고, 다른 하나를 신호 반환 및 참조 도체라고 합니다. 반환 참조 도체는 신호에 대한 참조(또는 영 볼트)뿐만 아니라 신호 전류가 그것을 생성한 원천으로 최소 임피던스의 경로를 제공해야 하기 때문에 이렇게 명명됩니다. 최소 임피던스의 경로를 달성하기 위해서는 트레이스 대신 평면을 선택하는 것이 가장 좋으며, 이 평면은 신호에 대한 임피던스 불연속성을 생성할 수 있는 분할, 절단 또는 기타 분할이 없어야 합니다.

이 기본 개념에서 우리는 신호가 있는 각 레이어에 대해 반환 참조 평면, 즉 반환 및 참조 경로를 제공하는 두 번째 도체가 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 이 간단한 규칙을 따르면, 각 신호 레이어를 인접한 반환 참조 평면(RRP)과 일치시킴으로써 우리의 스택업을 어떻게 설계할지 결정할 수 있습니다.

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다음은 전자기 간섭을 최소화할 수 있는 몇 가지 스택업 예시입니다.

2층 스택업 예시

2층 스택업의 경우, 한 층은 신호와 전력 트레이스 전용으로 하고, 다른 한 층은 고체 반환 참조 평면으로 할 수 있는 구성입니다.

그림 2 - Altium Designer의 Layer Stack Visualizer 도구를 사용한 2층 스택업 예시

평면에는 분할이나 다른 큰 간격이 없어야 합니다. 이는 또한 신호가 간격을 넘어가는 것을 피하는 것이 중요하며, 이는 임피던스 불연속을 생성하고 전류 루프 경로를 확장시켜 궁극적으로 방사 방출을 증가시킬 수 있습니다. 한 층에서 다른 층으로 트레이스가 건너가야 하는 경우, 건너가는 거리가 가능한 짧게 하고 다른 신호 트레이스 아래에서는 하지 않도록 해야 합니다.

4층 스택업 예시

4층 스택업에도 같은 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 이 스택업은 구성요소 및 트레이스 밀도가 증가하고 신호 트레이스 라우팅을 위한 두 번째 층이 필요할 때 적합합니다. 3층 스택업도 비슷한 구성을 달성할 수 있지만, 제조 목적으로는 일반적으로 최선의 옵션이 아니며, 제조업체는 보통 층 스택업을 짝수로 제공합니다.

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4층 스택업의 경우, 두 가지 효율적인 구성이 있습니다:

1. 첫 번째 구성은 반환 참조 평면을 스택업에 내장된 평면으로 가지고 있습니다. 이는 1층과 4층이 신호 평면이 되고, 2층과 3층이 각각 1층과 4층의 신호에 대한 반환 및 참조를 제공한다는 의미입니다.

2. 두 번째 구성은 1층과 4층에 반환 참조 평면을 두어 회로에 일종의 방패 역할을 하게 하고, 신호 층은 2층과 3층에 스택업에 내장되어 있습니다. 이 구성에서는 2층과 3층 사이의 공간을 늘려 두 신호의 필드가 서로 간섭하지 않도록 합니다. 대신, 각 신호 층은 반환 참조 평면과 결합됩니다.

두 구성 모두에서 반환 참조 평면 사이에 스티칭 비아도 구현해야 합니다. 이의 주요 목적은 다음과 같습니다:

• 파라데이 방패를 생성하여 방출을 줄이고 외부 간섭을 줄이기 위해;

• 평면을 가능한 한 등전위로 유지하고 공통 모드 전압을 줄이기 위해;

• 한 층에서 다른 층으로 수직으로 전환하는 신호에 대한 반환 및 참조를 제공하기 위해.

이 경우, 전력도 신호 층에 라우팅됩니다.

그림 3 - Altium Designer의 Layer Stack Visualizer 도구를 사용한 4층 스택업 예

4층 스택업에서 한 층을 전력에 완전히 할당하는 경우는 공통 모드 전압 잡음을 올바르게 처리하지 않으면 생성할 수 있기 때문에 EMC 설계 목적에는 권장되지 않아 의도적으로 제외되었습니다. 이 주제는 더 깊은 기술적 내용을 요구하므로 다음 기회에 다루도록 하겠습니다.

6층 스택업 예

6층 스택업은 신호 및 전력 층을 할당하는 방식에 있어 더 높은 자유도를 제공합니다.

그림 4 - Altium Designer의 Layer Stack Visualizer 도구를 사용한 6층 스택업 예

EMC 측면에서 우수한 성능을 제공할 수 있는 두 가지 매우 효과적인 스택업이 있습니다:

1. 스택업 1: 신호는 1층과 6층에서 라우팅되며, 2층과 5층에는 반환 참조 평면이 있고, 3층과 4층에는 추가 신호 층이 있습니다. 이 구성은 2층과 5층이 단지 두 개가 아닌 네 개의 신호 층 모두에 대해 반환 및 참조 평면으로서 기능하게 합니다. 이는 스킨 효과에 의해 가능해지는데, 이는 평면의 각 측면에서 다른 전류가 혼합되지 않고 흐를 수 있게 합니다. 스킨 효과는 교류(AC)가 도체 내에서 자신을 분포시키는 경향으로, 도체의 표면 근처에서 전류 밀도가 가장 크고 중심으로 갈수록 감소합니다. 이 현상은 AC에 의해 생성된 변화하는 자기장이 도체 중심의 전류 흐름을 반대하는 와전류를 유도하기 때문에 발생하여, 전류가 주변부에서 더 많이 흐르도록 강제합니다. 이러한 유형의 스택업에서는 전력 네트워크도 신호 층과 함께 라우팅할 수 있습니다.

2. 스택업 2: 신호는 1층과 6층에서 라우팅되며, 2층과 5층은 반환 참조 층으로 사용됩니다. 이 구성에서 3층과 4층은 전원 평면으로 사용됩니다. 이 스택업은 특히 더 많은 전력이 필요하거나 저 임피던스 전력 전달 네트워크가 필요할 때 매우 효과적입니다. 반환 참조 층과 전원 층 모두에 대해 단단하고 균일한 평면을 사용하는 것이 권장됩니다. 단일 층에 다른 폴리곤을 사용하는 것은 권장되지 않으며, 이는 공통 모드 노이즈를 생성하고 케이블이 연결될 때 방사 방출을 초래할 수 있습니다. 이러한 문제를 피하고 보드의 전력 전달 네트워크(PDN)를 개선하기 위해 전압별로 하나의 평면을 할당하는 것이 좋습니다.

4층 스택업과 마찬가지로 내부 신호 층과 전원 층 사이에 충분한 거리를 확보하여 그들 사이의 결합을 피하면서 반환 참조 층과의 결합을 최대화해야 합니다. 또한 가능할 때마다 반환 참조 평면 사이에 스티칭 비아를 구현해야 합니다.

Altium Designer로 간단한 다층 스택업 예

다행히도, Altium Designer^®를 사용하면 PCB 스택업을 선택하는 것이 더 쉬워집니다.

통합된 Layer Stack Manager 도구를 사용하면 사용자 정의 스택업을 PCB에 생성하거나 사전 설정된 스택업을 사용하여 PCB 디자이너의 작업을 훨씬 쉽게 만들 수 있습니다. Layer Stack Manager 도구는 또한 보다 고급 유형의 스택업을 생성할 수 있게 해주며, 여기서는 제3자 계산기 없이 신호의 특성 임피던스를 계산할 수도 있습니다.

이것은 Altium Designer^®의 많은 기능 중 하나로, PCB 프로젝트 생성을 원활하고 정확하게 할 수 있게 해주어 디자인 과정을 더 쉽고 즐겁게 만듭니다.

다음 기사에서는 저 EMI를 위한 PCB 설계 및 최적화 방법을 탐구할 예정입니다. 우리의 페이지와 소셜 미디어를 팔로우하여 놓치지 않도록 해주세요.

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