PCB에서의 노이즈 전달은 성가신 일입니다, 전문가 Lee Ritchey로부터 크로스토크를 억제하는 방법을 배우세요

크로스토크와 커플링이라는 용어는 하나의 전송선로에서 근처를 지나가는 다른 전송선로로 전자기 에너지가 주입되는 현상을 설명하는 데 사용됩니다. 인쇄 회로 기판에서 크로스토크는 보통 같은 층에서 나란히 또는 인접한 층에서 하나가 다른 하나 위에 있는 두 트레이스로 발생합니다. 이렇게 커플링된 에너지는 피해 트레이스에서 노이즈로 나타나며, 진폭이 너무 크면 오작동을 일으킬 수 있습니다. 이 노이즈가 트레이스에서 트레이스로 어떻게 전달되는지와 이를 방지하는 방법을 배우십시오.

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크로스토크 또는 커플링

크로스토크와 커플링이라는 용어는 하나의 전송선로에서 근처를 지나가는 다른 전송선로로 전자기 에너지가 주입되는 현상을 설명하는 데 사용됩니다. 인쇄 회로 기판에서 크로스토크는 보통 같은 층에서 나란히 또는 인접한 층에서 하나가 다른 하나 위에 있는 두 트레이스로 발생합니다. 이렇게 커플링된 에너지는 피해 트레이스에서 노이즈로 나타나며, 진폭이 너무 크면 오작동을 일으킬 수 있습니다. 이 섹션에서는 이 노이즈가 트레이스에서 트레이스로 어떻게 전달되는지와 이를 방지하는 방법을 설명할 것입니다.

그림 1은 나란히 이동하는 두 전송선을 보여주는 다이어그램입니다. 상단의 전송선은 스위칭되는 것으로 표시되고, 하단의 전송선은 비활성 상태입니다. 피해선 옆에 두 개의 파형이 있는 것을 주목하세요. 하나는 선의 끝에서 드라이버가 작동하는 선에 있고, 다른 하나는 반대쪽 끝 또는 먼 끝에 있습니다. 파형의 모양이 다른 것을 알 수 있습니다. 피해선의 드라이버 끝에 있는 파형은 보통 역방향 크로스토크 또는 "근접 크로스토크", "NEXT"라고 하며, 피해선의 먼 끝에 있는 파형은 "전방 크로스토크" 또는 "원거리 크로스토크", "FEXT"라고 합니다.

이 두 파형이 어떻게 보일지는 전송선의 네 끝에 무엇이 있는지에 따라 달라집니다. 가능성에는 단락, 종단 또는 개방 회로가 있습니다. 이 단원의 끝에 있는 참조 1에서는 이러한 종단이 피해 선로에서 볼 수 있는 신호에 어떤 영향을 미치는지 자세히 설명합니다. 그 논문에서 볼 수 있듯이, 가장 나쁜 경우는 두 선로의 먼 끝이 모두 개방 회로이고 피해 선로의 가까운 끝이 단락일 때입니다. 대부분의 CMOS 회로가 그렇게 작동합니다. 이러한 조건 하에서 피해 선로에서 볼 수 있는 파형은 그림 1에 표시된 것과 매우 유사할 것입니다.

이 논의에서는 이러한 "최악의 경우" 조건 세트를 사용하여 분석이 수행될 것입니다.

그림 1 두 전송선이 나란히 상호 작용하는 모습

그림 2는 두 전송선이 나란히 이동하는 길이가 길어짐에 따라 두 형태의 크로스토크(전방 및 후방)가 어떻게 변하는지 보여줍니다. 전방 크로스토크는 결합 길이가 길어짐에 따라 후방 크로스토크보다 느리게 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 결합 길이가 증가해도 후방 크로스토크가 증가하지 않는 지점이 있다는 것을 알 수 있습니다. 이를 "임계 길이" 또는 후방 크로스토크가 계속 증가하지 않거나 포화되지 않는 길이라고 합니다.

전방 크로스토크는 후방 크로스토크보다 훨씬 느리게 증가하며, 병렬로 이어진 길이가 너무 짧아 인쇄 회로에서는 요소가 되지 않습니다. 이 형태의 크로스토크는 전화 회사에게 수많은 미터 길이의 선로가 있을 때 주요한 문제였습니다. 이 섹션은 후방 크로스토크를 제어하는 방법에 초점을 맞출 것입니다.

그림 2. 결합 길이에 따른 전방 및 후방 크로스토크

나란히 라우팅하여 후방 크로스토크 제어 방법

전송선이 나란히 진행될 때 결합 메커니즘은 전자기장의 자기 성분에 의해 지배됩니다. 위아래로 라우팅할 때는 전기장이 지배적입니다.

후방 크로스토크를 제어하기 위한 여러 방법이 제안되었습니다. 이 방법들 중에는:

• 전송선이 나란히 진행되는 길이 제한
• 두 전송선 사이에 "가드 트레이스" 삽입
• 민감한 신호의 양쪽에 "그라운드" 비아의 열

병렬 진행 길이 제한

크로스토크를 제어하기 위해 제안된 가장 일반적인 방법은 두 전송선이 나란히 진행되는 길이를 제한하는 것입니다. 심지어 여러 PCB 라우터에서 길이 숫자를 입력하고 이 길이를 초과하여 라우팅하지 않도록 라우팅 도구를 허용하는 루틴도 있습니다. 이 방법이 작동하려면, 이 길이는 그림 2에 표시된 중요 길이보다 짧아야 합니다. 병렬 실행 길이가 중요 길이에 도달하면, 그 지점을 넘어서 병렬로 계속 실행해도 크로스토크가 증가하지 않는 것으로 나타납니다. 그림 3은 신호 상승 시간의 함수로서의 중요 길이를 나타낸 그래프입니다. 그래프에는 세 가지 다른 유전 상수(er)에 해당하는 세 개의 곡선이 있습니다. 두 개는 테플론에 해당하고, 세 개는 대부분의 리본 케이블에 해당하며, 네 개는 PCB에서 발견되는 대부분의 유전체에 해당합니다.

보시다시피, 상승 시간이 빨라질수록 중요 길이는 짧아집니다. 상승 시간이 1.4 nSec일 때, 중요 길이는 약 6인치 또는 15cm입니다. 라우터가 3인치의 평행 실행을 허용하도록 설정된 경우, 대부분의 설계에서 대부분의 연결을 보드 공간이나 레이어가 부족하지 않게 만들 수 있습니다. 불행히도, 현대의 대부분의 집적 회로는 그렇게 느리지 않습니다. 현재, 100 피코초까지 빠른 상승 시간이 매우 흔합니다.

그림 3을 보면, 100 피코초에서의 중요 길이는 반 인치 미만 또는 약 1.5cm임을 알 수 있습니다.

이러한 상승 시간에서는 길이 제어가 작동하지 않습니다. 이는 슈퍼컴퓨터 산업에서 오랫동안 잘 알려져 있으며, 역방향 크로스토크를 제어하는 데 사용된 방법이 아닙니다.

길이 제어가 크로스토크를 제한하는 데 작동하지 않는다면, 어떤 방법이 작동하나요?

그림 2를 다시 참조하면, 한 번 중요 길이에 도달하면 병렬로 라우팅을 계속해도 추가적인 크로스토크가 발생하지 않는 것을 볼 수 있습니다. 이 시점에서 크로스토크의 양에 영향을 미치는 요소는 두 가지뿐입니다. 이들은 가장 가까운 평면까지의 높이와 가장자리 간의 분리입니다. 그림 4는 중요 길이에 도달한 후 가장 가까운 평면 위의 높이와 가장자리 간의 분리에 따라 크로스토크가 어떻게 변하는지 보여주는 그래프입니다.

그림 4. 평면 위 높이와 분리에 따른 역방향 크로스토크, 스트립라인

그림 4는 "오프센터" 스트립라인으로 제목이 붙여져 있습니다. 이는 전송선들이 두 평면 사이에 있지만 두 평면 사이에 중앙에 위치하지 않는다는 것을 의미합니다. 이는 두 개의 평면 사이에 두 신호층을 가진 PCB에 일반적입니다. 가장 가까운 평면 위의 높이가 줄어들면서 크로스토크가 상당히 감소하는 것을 알 수 있습니다. 또한, 트레이스가 서로 멀어질수록 더욱 빠르게 감소합니다. 그림 5는 PCB의 외부에 있는 신호층인 마이크로-스트립라인에 대해 이러한 값을 보여주는 플롯입니다.

그림 5. 평면 위 높이와 분리에 따른 역방향 크로스토크, 마이크로-스트립라인

가드 트레이스

전송선 사이에 "가드 트레이스"를 삽입하는 것이 크로스토크를 제어하는 방법으로 권장되어 왔습니다. 이 방법이 효과가 있다면, 왜 효과가 있는 걸까요? 그리고 효과가 있다면 이 방법을 사용하는 데에 어떤 단점이 있을까요? 많은 회사에서는 5밀(mil) 선과 5밀(mil) 간격으로 라우팅하는 것을 "표준 관행"으로 삼고 있습니다. 그림 4를 참조하면, PCB가 이러한 규칙에 따라 라우팅되고 가장 가까운 평면 위로의 높이가 5밀(mil)이라면(또한), 크로스토크는 약 8%가 될 것입니다. 이것이 과도하다고 판단되고 가드 트레이스가 추가된다면, 그것은 무엇을 의미할까요? 가드 트레이스를 위한 공간을 만들기 위해 5밀(mil) 간격과 5밀(mil) 트레이스가 추가되어야 합니다. 이제, 가장자리 간격은 5밀(mil)이 아닌 15밀(mil)이 되고 크로스토크는 1% 미만입니다. 이 감소를 일으킨 것은 가드 트레이스가 아니었습니다. 그것은 분리였습니다.

가드 트레이스를 추가하는 단점은: 이것은 라우팅을 훨씬 더 어렵게 만듭니다. 가드 트레이스는 장벽이 아닙니다. 이것은 공진 회로로, 대역 통과 필터를 생성함으로써 크로스토크를 증폭시킬 수 있습니다.

나란히 라우팅에서 크로스토크를 제어하는 적절한 방법은 오직 분리뿐입니다.

"그라운드" 비아의 열

어떤 응용 노트와 전문가들이 제안하는 방법 중 하나는 민감한 전송선을 보호하기 위해 "중요한" 트레이스 양쪽에 "그라운드" 비아를 배치하는 것입니다. 이러한 규칙은 그것이 유효하다는 어떠한 증명도 동반되지 않습니다. 또한 몇 개의 비아를 사용해야 하며 어떤 간격으로 배치해야 하는지에 대해 물었을 때 모호한 답변이 동반됩니다. 만약 그것이 유용하고 필요하다면, 우리가 매일 설계하는 서버와 라우터는 그 모든 비아들을 위한 충분한 공간이 없기 때문에 불가능할 것입니다. 이것은 가짜 규칙이며 사용되어서는 안 됩니다. 유효한 설계 규칙에는 직접적인 증명이 있습니다. 이 규칙은 그렇지 않습니다.

상하 라우팅을 이용한 역방향 크로스토크 제어 방법

상하 라우팅이 수행될 때, 한 전송선이 한 층에 있고 다른 하나가 위나 아래 층에 있을 때, 결합은 마치 두 전송선 사이에 작은 커패시터가 연결된 것처럼 전기장에 의해 지배됩니다. 결합된 파형은 그 모양을 가집니다. 현대 로직의 빠른 에지로 인해, 두 트레이스 사이의 중첩이 증가함에 따라 결합된 에너지의 양이 매우 짧은 구간에서도 허용 한계를 초과합니다.

인접 신호 층 간의 크로스토크를 안전하게 제어하는 유일한 방법은 한 층에서는 X 방향으로, 다른 층에서는 Y 방향으로 트레이스를 라우팅하는 것입니다. 대부분의 PCB 레이아웃 시스템은 이러한 종류의 중첩을 방지하기 위해 한 층을 X로, 다른 층을 Y로 지정할 수 있는 기능을 가지고 있습니다. 불행히도, 많은 시스템이 때때로 이 제약을 위반할 수 있으므로, 라우팅 후에 이 규칙이 따라졌는지를 반드시 다시 확인해야 합니다.

크로스토크 계산하기

크로스토크를 제어하기 위해 트레이스 간격을 어떻게 설정해야 하는지에 대한 경험칙이 많이 있습니다. 이 중에는 가장 가까운 평면 위로부터의 높이의 세 배, 트레이스 폭의 두 배 및 네 배 등이 있습니다. 이러한 규칙들은 다소 임의적으로 들릴 수 있으며 실제로 그렇습니다. 간격이 어떻게 되어야 하는지 결정하기 위해 먼저 답해야 할 첫 번째 질문은 얼마나 많은 크로스토크 노이즈가 허용될 수 있는가입니다? 이것은 여러 가지 요소에 따라 달라지며, 피해 트레이스가 훨씬 높은 진폭을 가진 다른 트레이스 옆에서 실행되는지, 아니면 동일한 진폭 신호를 가진 다른 트레이스와 나란히 실행되는지 등을 포함합니다.

허용 가능한 노이즈 양 결정하기

이 섹션의 끝에 있는 참조 2에서는 노이즈 마진 분석을 사용한 설계 규칙 생성에 대한 장이 있습니다. 이 섹션에서는 논리 패밀리의 노이즈 예산이 여러 노이즈 소스에 의해 소비된다는 것을 보여줍니다. CMOS의 경우 네 가지 주요 노이즈 소스가 있습니다. 이들은 크로스토크, 반사, Vdd와 Vdd의 리플 및 IC 패키지 내의 그라운드 바운스입니다. 마지막 세 가지의 노이즈 양이 계산되면 이것을 논리 패밀리의 노이즈 마진에서 빼서 허용될 수 있는 크로스토크의 양을 도출합니다.

크로스토크 결정을 위한 분석적 방법

제안된 두 전송선 사이의 기하학적 구조로부터 발생할 크로스토크를 계산할 수 있게 해주는 분석 도구가 있습니다. 그림 6은 Hyperlynx^®에서 제안된 기하학적 구조에 대한 크로스토크를 계산하기 위해 사용될 두 전송선 쌍의 스크린샷입니다. 이것은 상단에 활성 상태인 CMOS 회로와 하단에 논리 0으로 설정된 CMOS 회로 두 개입니다.

그림 6. 크로스토크 계산에 사용된 회로 다이어그램

그림 7은 트레이스 간의 분리가 어떻게 지정되는지, 그리고 트레이스의 폭과 평면 위의 높이가 어떻게 지정되는지 보여주는 화면입니다. 트레이스 폭은 크로스토크에 영향을 주지 않으며, 전송선이 "중요 길이"를 넘어서 배치된 후에는 가장 가까운 평면 위의 높이와 가장자리 간의 분리만이 관련되어 있다는 점을 유의해야 합니다.

그림 7. 그림 6에서 연결된 쌍의 기하학적 구조를 보여주는 화면

그림 8은 구동선이 논리 1에서 논리 0으로 전환될 때 발생하는 일련의 파형입니다. 빨간 파형은 구동선의 드라이버에서의 신호이며, 보라색 파형은 구동선의 수신기에서의 신호입니다. 평평한 노란색 선은 논리 0인 피해선의 출력이며, 그 위에 돌기가 있는 파형은 피해선의 수신기 끝에서의 파형입니다.

그림 8. 그림 6에서 구동선이 전환될 때의 파형

피해 라인에서 발생하는 노이즈는 피해 라인의 "앞쪽" 또는 수신기 끝에서 나타나며, "뒤쪽" 끝에서 나타나야 할 역방향 크로스토크처럼 보이지 않습니다. 이유는 피해 라인의 구동 끝이 논리 0이며, 이는 단락 회로입니다. 전송 라인에 관한 섹션에서 단락 회로는 에너지를 흡수하지 않는다는 것이 관찰되었습니다. 대신, 그것들은 그림 8에서 보여진 것처럼 반전된 파형으로 에너지를 반사합니다. 전송 라인 섹션에서의 두 번째 관찰은 개방 회로도 에너지를 흡수하지 않고 그림 8의 경우처럼 두 배로 반사한다는 것입니다.

그림 8에서 크로스토크의 진폭은 3.3볼트 신호 라인에서 약 1볼트입니다. 이는 분명히 너무 큽니다. 해결책은 높이와 간격이 설정된 화면으로 돌아가서 크로스토크가 설계 창 내에 있을 때까지 하나 또는 둘 모두를 조정하는 것입니다. 이 분석이 완료되면, 그 결과로 나온 크로스토크 규칙은 정확할 것이며, 어떤 임의의 경험칙의 결과가 아닐 것입니다.

고속 설계 참고 자료

• “90도 코너, 최종 회전” Doug Brooks, etal, Printed Circuit Design, 1998년 1월.
• SIGNAL INTEGRITY- SIMPLIFIED, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
• “로직 회로 연결에서의 반사와 크로스토크,” John A DeFalco, IEEE Spectrum, 1970년 7월.
• “처음부터 올바르게, 고속 PCB 및 시스템 설계에 관한 실용적인 핸드북, 제1권 & 제2권,” Zasio와 Ritchey, Speeding Edge 2003년과 2006년.

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