동시 스위칭 노이즈인가, 아니면 크로스토크인가?

실제 PCB에서 발생할 수 있는 다양한 신호 무결성 문제들 중에서, 능숙한 설계자는 이를 모두 어떻게 구별할 수 있을까요? 일부 문제들은 다른 것들보다 더 명확하며, 특정 신호 무결성 측정법이 신호 동작의 특정 측면을 테스트하고 측정하기 위해 개발되었습니다.

하나의 질문이 생기는데, 이는 I/O 은행의 출력 전압에 변동이 나타나는 현상과 관련이 있으며, 이는 동시 스위칭 노이즈 또는 더 널리 알려진 바와 같이 그라운드 바운스로 알려져 있습니다. 여러 출력이 동시에 스위칭될 때 유도되는 전압을 검사하면, 이러한 유형의 잠재적 변동은 유도성 역방향(즉, 근접 종단) 크로스토크와 매우 유사해 보입니다. 사실, 여러 신호 무결성 문제가 단일 연결에서 동시에 존재할 수 있습니다. 그렇다면 어떻게 두 가지를 제대로 구별하고 레이아웃에 변경이 필요한지 결정할 수 있을까요? 두 가지 효과를 분석하여 어느 것이 신호 무결성에 더 큰 영향을 미치는지 결정해 봅시다.

동시 스위칭 노이즈란 무엇인가요?

IC 설계자들은 일반적으로 "동시 스위칭 노이즈"를 사용하는 반면, PCB 설계자들은 같은 현상을 설명할 때 "그라운드 바운스"를 더 자주 사용하는 경향이 있습니다. 동시 스위칭 노이즈는 스위칭 IC 근처에서 접지면 전위의 변화처럼 보이는 것을 말합니다. 실제로는 PCB의 접지면 전위가 변한 것이 아니라, PCB 접지면과 패키지 다이 접지면 사이에 전위가 발생한 것입니다.

이는 핀-패키지 기생 인덕턴스로 인해 발생하는 기생 효과입니다. 이상적인 IC에서는 접지 핀을 PCB 접지면에 연결하는 본드 와이어, 리드 프레임 및 모든 구리가 완벽한 도체로서 인덕턴스가 제로이지만, 실제 PCB는 이런 방식으로 동작하지 않습니다. IC가 스위칭할 때, 이러한 요소들(모두 직렬로 취급될 수 있음)의 기생 인덕턴스는 PCB 접지면과 반도체의 I/O 버퍼 회로 사이의 전류 급류에 반대하는 전위를 발생시킵니다.

이 기생성분들을 이해하기 위해 사용되는 전형적인 회로 모델은 아래에 나와 있습니다.

• 이 기사에서 그라운드 바운스에 대해 더 알아보세요

그라운드 평면은 출력 핀과 다이에 대한 참조이기 때문에, 드라이버의 다이 그라운드 평면과 PCB 그라운드 평면 사이에는 0이 아닌 전압이 있어야 하며, 수신기는 PCB 그라운드 평면을 참조합니다. 그라운드 바운스에 대한 자세한 정보는 이 기사를 참조하세요.

I/O에서 출력을 추적하는 오실로스코프 트레이스를 보면, 위의 경로를 따라 전류가 흘러가면서 링잉이 발생할 수 있습니다. 여러 I/O가 동시에 전환될 때, 그들은 병렬로 동일한 I/O 전원 공급 장치에서 효과적으로 전류를 끌어옵니다. 효과적으로, 여러 I/O에서 생성된 역기전력이 피해를 입은 I/O 근처에서 측정된 상승된 그라운드 잠재력으로 인해 피해 I/O에 중첩됩니다. 결과적으로, 일반적으로 감쇠가 불충분한 링잉 파형이 나타납니다.

이 링잉을 어떻게 줄일 수 있을까요? 이 현상이 발생하는 이유는 다음과 같습니다:

• I/O 전원 공급 장치에 대한 불충분한 디캡 및/또는 바이패스 커패시턴스
• I/O 버퍼를 따라 현재 경로에 대한 불충분한 감쇠
• GND 트레이스와 GND 반환 경로를 따라 과도한 인덕턴스
• 바이패스 커패시턴스 경로를 따라 과도한 인덕턴스

일반적으로, 우리는 GND 평면을 사용하여 인덕턴스를 줄이고(확산 인덕턴스 감소) GND 연결에 대한 직접적인 트레이스 경로를 제공합니다. 그런 다음 바이패스 커패시터로의 연결도 짧게 하여 그 경로를 따라 인덕턴스가 없도록 합니다.

고속 채널에서는 시리즈 저항기를 사용한 감쇠가 일반적으로 사용되지 않는데, 이는 에지 속도가 너무 느려지고 에지에 대한 중요 감쇠를 목표로 할 경우 저항기를 통해 너무 많은 전력이 손실되기 때문입니다. SPI와 같이 빠른 에지 속도를 가진 느린 보드율 버스에서는 사용될 수 있습니다. 왜냐하면 이러한 버스는 빠른 에지 속도가 필요하지 않고 임피던스 사양이 없기 때문입니다.

역방향 크로스토크와 비교

잘못 바이패스된 구성요소의 출력을 측정하면 출력에서 보이는 전압 변동이 인덕티브 NEXT로 인한 전압/전류 스파이크처럼 보이는 신호와 유사합니다. 두 가지를 구별하는 문제는 기생적 요소와 관련이 있습니다:

• 실제 접지 평면과 IC로부터의 반환 경로는 기생 상호 인덕턴스와 저항을 가집니다. 즉, 신호 트레이스 쌍처럼 서로 간에 크로스토크를 전달할 수 있습니다.
• IC가 접지면과 분리되지 않으면, NEXT와 접지 바운스에 의해 발생하는 전압은 기생 인덕턴스가 크기와 극성에서 유사하기 때문에 비슷할 수 있습니다.

제가 언급한 두 번째 포인트는 고출력 핀 개수/빠른 상승 시간/강한 전류 소모를 가진 IC 근처에 바이패스 커패시터를 사용하는 이유입니다. PDN에서의 분리 커패시터와 마찬가지로, 이런 방식으로 사용된 바이패스 커패시터는 실제로 어떤 것도 분리하거나 바이패스하지 않습니다. 대신, 출력과 접지 사이에서 발생하는 접지 바운스나 다른 전압 변동을 보상하기 위해 전하(및 전압)의 저장소 역할을 합니다.

여기에서, NEXT와 FEXT에서 과감쇠응답을 보여주었지만, 기생 자기 인덕턴스가 높으면 이러한 신호들이 링잉을 나타낼 수 있습니다. 접지 바운스 파형이 등가 RL 회로에서 발생하긴 하지만, 스트레이 커패시턴스로 인해 링잉을 나타낼 수도 있으며, 이는 일반적으로 CMOS 구성 요소에서 발생합니다. 더욱이, 이러한 신호들이 경험하는 감쇠는 부하 임피던스에 따라 달라집니다. 이 신호들이 상당히 극적일 수 있기 때문에, 노이즈 마진이 적으면 수신기에서 의도하지 않은 스위칭을 일으킬 수 있습니다.

동시 스위칭 노이즈와 NEXT를 구별하는 방법

이것은 특히 신호 문제가 있는 프로토타입 보드를 작업할 때 어려운 작업일 수 있습니다. 핵심은 크로스토크와 동시 스위칭 노이즈의 영향을 분리해 보려는 것입니다. 접지 바운스를 측정하기 위한 표준 구성은 부하 구성 요소에서 직접 미터로 분리된 도체(동축 케이블이 이상적임)를 연결하는 것이며, 이는 드라이버와 수신기와 동일한 접지 전위에서 유지됩니다. 이 핀의 구동 출력을 LOW로 유지하고, 드라이버의 다른 모든 출력을 구동합니다. 이는 접지 바운스의 직접 측정을 제공하지만, 이 구성에는 여전히 LOW 트레이스가 크로스토크에 취약하다는 문제가 있습니다.

다행히도 이를 수행하는 더 나은 방법이 있습니다. Howard Johnson은 의심되는 피해 트레이스를 절단하고 드라이버와 수신기에서 직접 매칭된 임피던스를 가진 동축 케이블을 연결하여 동축에 들어오는 신호를 측정하는 것을 권장합니다. 동축 케이블은 크로스토크로부터 차폐되어 있어, 이 도체에서 그라운드 바운스로 인한 전압 변동만을 측정할 수 있습니다. 이렇게 측정된 전압은 다른 모든 스위칭 출력에서 볼 수 있지만, 크로스토크로 인한 전압 변동은 모든 트레이스에서 다를 것입니다. 이 구성에서는 동축에 연결된 드라이버 출력도 낮은 상태로 유지되어야 하며, 나머지 I/O는 구동되어야 한다는 점에 유의하세요.

IC의 출력에서 어떤 변동을 측정하고 그라운드 바운스가 과도하다고 의심될 때, 아마도 가장 쉬운 점검 방법은 바이패스 커패시터를 더 큰 커패시터로 교체하는 것입니다. 바이패스 커패시터는 크로스토크 신호에는 영향을 주지 않지만, 그라운드 바운스 신호에는 영향을 줍니다. 바이패스 커패시턴스를 증가시키고 전압 변동이 크게 변하지 않거나(또는 전혀 변하지 않는 경우), 강한 그라운드 바운스가 문제의 원인이 아니라는 것을 알 수 있습니다.

Altium Designer®의 포스트-레이아웃 시뮬레이션 및 크로스토크 분석 도구를 사용하면 레이아웃에서 크로스토크를 쉽게 시뮬레이션하고 이를 추가 측정을 위한 참조로 사용할 수 있습니다. 이러한 결과는 테스트 및 측정 결과의 참조로 사용될 수 있으며, 이는 동시 스위칭 노이즈가 보드에서 주요 문제를 일으키고 있는지 확인하는 데 도움이 됩니다. 또한 회로 시뮬레이션, 구성 요소 데이터 관리, 생산 준비를 위한 다양한 도구에도 접근할 수 있습니다.

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