PCB 설계에서 EMI 제어 마스터하기: 저 EMI를 위한 PCB 설계 방법

PCB 설계에서 EMI 제어를 마스터하는 시리즈의 네 번째 기사에 오신 것을 환영합니다. 이번 편에서는 PCB 설계에 있어 중요한 전자기 간섭(EMI) 관리의 고급 측면을 탐구할 것입니다.

인쇄 회로 기판(PCB)을 설계할 때, 주요 도전 과제 중 하나는 설계가 방사된 방출과 전도된 방출 테스트를 모두 통과할 수 있도록 하는 것입니다. 이는 규제 기준을 충족하고 PCB가 의도된 환경에서 제대로 기능하며, 다른 장치 및 시스템에 간섭을 일으키지 않도록 하는 데 필수적입니다.

외부 및 내부 방출에 대한 면역성을 달성하는 것도 마찬가지로 중요하며, 이는 최종 제품의 신뢰성과 성능을 보장하는 데 도움이 됩니다.

그림 1 - Altium Designer®에서의 PCB 설계 예

전자기 간섭(EMI) 설계 시, 방출이 주로 회로 내의 변화하는 전류에 의해 발생하며, 전압에 의한 것이 아니라는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 이는 모든 회로가 그 안에 내재된 전류 변화로 인해 어느 정도의 전자기 방사를 불가피하게 방출한다는 것을 의미합니다. 설계자들에게 주요 도전 과제는 이러한 방사의 정도를 관리하고 제어하는 것입니다.

더 나은 전자기 호환성(EMC)을 달성하기 위해서는 이러한 전자기 방출을 효과적으로 포함하고 최소화하는 인쇄 회로 기판을 설계하는 데 초점을 맞춰야 합니다.

이것은 두 가지 주요 유형의 방출을 다루는 것을 포함합니다:

• 차동 모드 전류에서 발생하는 방출;
• 공통 모드 전류에서 발생하는 방출.

그림 2 - 회로에서의 차동 대 공통 모드 전류 (공통 모드 전류의 반환 경로는 표시되지 않음). 참조: Dario Fresu

이러한 전류를 이해하는 가장 간단한 방법은 차동 모드 전류를 서로 "반대 방향"으로 다른 경로를 통해 흐르는 것으로 생각하는 것이며, 공통 모드 전류는 회로 경로를 따라 같은 "공통" 방향으로 흐릅니다.

차동 모드 전류에서 발생하는 방출 최소화 방법

차동 모드 전류는 회로의 정상 작동에 필수적입니다. 이러한 전류는 집적 회로(IC)와 구성 요소 사이를 흐르며 PCB의 회로 설계의 일부입니다.

전류는 회로 레이아웃에 의해 정의된 루프에서 이동하며, 이 루프의 크기는 생성된 방출 수준에 영향을 미칩니다. 루프가 클수록(즉, 면적이 클수록) 방출이 높아집니다. 또한, 높은 주파수는 방출을 증가시킵니다.

이러한 방출을 줄이기 위해 몇 가지 전략이 있습니다:

1. 전류가 트레이스를 통해 흐르는 양을 줄이기
2. 전류의 주파수를 낮추기
3. 전류 루프의 면적을 최소화하기

전류와 주파수를 줄이는 것(옵션 1과 2)은 회로의 효율성에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 종종 비현실적입니다. 가장 실용적인 접근 방식은 PCB 설계자가 더 직접적으로 제어할 수 있는 이러한 전류 루프가 포함하는 면적을 최소화하는 것입니다.

그림 3 - Altium Designer®를 사용한 PCB의 전류 루프 예

매우 효과적인 방법은 신호 트레이스와 가까운 레이어 스택업에서 반환 참조 평면을 사용하는 것입니다. 이렇게 하면 전방 및 반환 전류가 포함하는 면적이 매우 작아져 방출을 최소화할 수 있습니다. 이와 함께 신호 트레이스를 가능한 한 짧게 유지하면 차동 모드 전류에서 방출을 줄이는 데 있어 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.

물론, 부품 배치, 신호 크로스토크 감소 및 근처 케이블로 노이즈를 전달할 수 있는 다른 결합 메커니즘을 관리하는 것도 방출을 줄이는 데 중요합니다. 그러나 이러한 요소들은 전류 루프의 면적을 최소화하는 기본 기술에 비해 이차적입니다.

이 기술은 차동 모드 전류의 방출 원인을 직접적으로 해결하기 때문에 방출을 줄이는 데 더 직접적이고 중요한 영향을 미칩니다.

공통 모드 전류에서 발생하는 방사를 최소화하는 방법

설계자가 알아야 할 또 다른 중요한 전류 유형은 공통 모드 전류입니다. 차동 모드 전류가 회로에 의도적으로 설계된 것과 달리, 공통 모드 전류는 회로도에서 명시적으로 고려되지 않습니다. 이러한 전류는 회로의 작동에 필요하지 않으며 주로 설계 내의 기생적 요소에서 발생합니다.

이러한 기생 전류를 식별하고 제어하는 것은 그 원인이 항상 명확하지 않기 때문에 상당히 어려울 수 있습니다. 공통 모드 전류는 일반적으로 차동 모드 전류가 회로 내의 기생 요소를 통해 흐를 때 생성됩니다.

그림 4 - 반환 평면의 간격은 종종 공통 모드 방사의 원인이 됩니다 (Altium Designer®)

이러한 기생 요소는 주로 “그라운드” 또는 “신호 그라운드”로 알려진 반환 참조 도체에서 발견됩니다. 반환 참조 도체 내의 기생 요소 문제는 주로 구성 요소와 도체가 완벽하지 않고 이상적이지 않다는 현실 때문에 발생합니다.

예를 들어, 회로 내의 구리 트레이스는 저항뿐만 아니라 인덕턴스와 커패시턴스도 나타냅니다. 이러한 기생 속성은 신호 주파수가 증가함에 따라 점점 더 중요해집니다.

차동 모드 방출과 달리 주로 전류 루프의 크기에 영향을 받는 반면, 공통 모드 전류는 주로 도체의 길이와 노이즈 주파수에 의해 영향을 받습니다. 그러나 도체 길이의 영향은 특정 지점을 넘어서면 덜 중요해지며, 이에 대해서는 본 기사에서 더 이상 탐구하지 않겠습니다.

전기적으로 짧은 케이블의 경우, 공통 모드 전류 방출은 루프 안테나 전송이 아닌 다이폴(또는 모노폴) 안테나 전송으로 모델링될 수 있습니다. 이 모델링 변경은 방출이 생성되고 제어되는 방식에 영향을 미칩니다.

공통 모드 전류에서 방출을 효과적으로 줄이기 위해 다음 전략을 고려해야 합니다:

• 공통 모드 전류의 양을 줄이십시오;
• 공통 모드 전류의 주파수를 낮추십시오;
• 공통 모드 방출에 기여하는 도체의 길이를 최소화하십시오.

핵심 전략은 신호 트레이스의 길이를 줄이는 데 초점을 맞추는 것입니다. 시스템 제약으로 인해 모든 도체의 길이를 단축할 수는 없지만, 설계자는 가능한 한 트레이스 길이를 최소화하려고 노력해야 합니다. 이러한 노력은 신호 주파수가 계속 상승함에 따라 PCB에서 방출을 완화하는 데 도움이 됩니다.

단단한 구리 평면을 반환 및 참조 평면으로 사용하는 것은 또 다른 효과적인 기술입니다. 이 방법은 반환 전류가 통과해야 하는 인덕턴스를 줄여, 이러한 방출을 구동하는 공통 모드 전압원을 감소시킵니다.

분할이나 절단이 없는 단단한 구리 평면은 반환 전류를 위한 저임피던스 경로를 제공함으로써 신호 무결성을 유지하고 EMI를 줄이는 데 도움이 됩니다.

방출 최소화를 위한 스티칭 비아 사용 방법

다중 반환 참조 평면이 있는 다층 스택업에서 공통 모드 방출을 줄이기 위해 권장되는 또 다른 기술은 이러한 평면 사이에 스티칭 비아를 사용하는 것입니다. 스티칭 비아는 다른 반환 참조 층을 연결하여 동일한 전기적 잠재력을 유지하도록 합니다. 이 연결은 다이폴(또는 모노폴) 안테나 모드 방출을 구동하는 공통 모드 전압원을 줄이는 데 도움이 되어, 원치 않는 노이즈와 EMI를 상당히 감소시킬 수 있습니다.

그림 5 - Altium Designer®에서의 스티칭 비아 예시

공통 모드 방출을 줄이는 것 외에도, 스티칭 비아는 스택업의 층 사이를 전환하는 신호에 대한 신뢰할 수 있는 전류 반환 경로 및 참조 잠재력을 제공하는 데 필수적입니다. 이는 평면 사이에서 발생할 수 있는 방출을 방지하여 EMI뿐만 아니라 신호 무결성과 PCB의 전체 성능에도 방해가 될 수 있습니다.

결론

전자기 간섭(EMI) 제어를 효과적으로 염두에 두고 인쇄 회로 기판(PCB)을 설계할 때, 올바른 도구를 갖추는 것이 필수적입니다. 고급 PCB 설계 소프트웨어를 사용하면 다양한 설계 매개변수를 관리하고, 보드를 탁월한 정밀도와 효율성으로 제작할 수 있습니다. 이러한 도구는 복잡한 설계 요구 사항을 처리하고 EMI 완화 전략이 올바르게 적용되었는지 확인하는 데 필수적이며, 이를 통해 더욱 신뢰성 높고 성능이 우수한 PCB를 제작할 수 있습니다.

Altium Designer®는 이 분야에서 뛰어난 도구로서, 설계 워크플로우에 원활하게 통합되어 제공됩니다. PCB 설계에 대한 전문성과 열정을 최대한 활용할 수 있는 유연성과 고급 기능을 제공하여, 효과적인 EMI 제어 전략을 쉽게 구현할 수 있게 합니다.

PCB 설계를 지속적으로 개선하기 위해서는 정보에 밝아야 합니다. 다음 기사에서는 전력 분배 네트워크(PDN)의 디커플링 전략을 다루어, 설계 관행을 개선할 수 있는 더 많은 통찰력을 제공할 것입니다.

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