PCB 혼합 신호 레이아웃에서 중첩되는 평면(Plane) 유형

전원면 또는 적어도 전원에 사용되는 다각형 주입 영역은 최신 PCB에 없어서는 안 될 요소입니다. 전력 네트를 서로 다른 영역으로 분할하는 기능이 없다면 우리가 알고 있는 디지털 시스템은 존재할 수 없을 것입니다. 명목상 DC에서 실행되는 디지털 기판의 경우(스위칭 레귤레이터에서 중첩된 노이즈가 약간 있을 수 있음) 표준 코어/로직 수준에서 대규모 전류를 디지털 컴포넌트로 라우팅하려면 전원면을 분할하거나 여러 전원면을 사용해야 합니다. 하지만 아날로그 전력 네트와 해당 네트가 제공하는 전력의 경우는 어떨까요? 그리고 이들을 사용하여 혼합 신호 PCB 레이아웃을 만들려면 어떻게 해야 할까요?

아날로그 및 디지털 섹션을 네트가 여러 개인 전원 레이어에 혼합한 후에는 레이아웃에 주의하지 않으면 설계에서 전원을 깔끔하게 구현하기 어려울 수 있습니다. 고주파수에서는 이에 따라 서로 다른 유형의 평면 영역이 중첩될 때 최대 RF 주파수까지 눈에 띄는 EMI 문제가 발생할 수 있습니다. 이 경우 우리는 레이어가 많은 기판에서 전원 및 접지 영역을 인터리빙하는 방법 또는 레이어가 적은 기판에서 서로 다른 전력 영역을 분리하는 방법을 고려해야 합니다.

혼합 신호 평면 문제

혼합 신호 PCB 레이아웃, 평면 설계 및 스택업 설계에서 계속해서 제기되는 주요 논쟁 중 하나는 접지 및 전력 네트의 배열 방법입니다. 여기에는 심지어 구체적으로 무엇이 접지로 적합한가에 대한 논의도 포함됩니다. 예를 들어 아날로그 전용 접지면과 디지털 전용 접지면을 함께 사용하기로 했다고 가정해 봅시다(참고로 이렇게 배치해서는 안 됩니다). 이러한 평면 섹션이 물리적으로 분리되어 있는 경우 이 중 0V로 정의되는 것은 무엇일까요? 이들은 캡으로 연결된 경우에만 동일한 퍼텐셜을 공유할까요? 이는 꽤 중요한 질문입니다.

전원면 쌍 또는 절연체로 분리된 도체 쌍(퍼텐셜 차가 0이 아닌 경우)에도 동일한 질문이 적용됩니다. 여기까지 들으니 커패시터가 떠오르지 않나요? 맞습니다. 절연 유전체에 의해 서로 분리된 두 평면 또는 다각형이 있다면 커패시터를 생성한 것과 다름이 없습니다. 즉 두 개의 전원면이나 두 개의 접지면 또는 전원면/접지면 쌍 등에서 퍼텐셜이 생기는 경우 전원면은 충전 및 방전됩니다.

아래와 같은 다각형 배열을 고려해 보세요. 보라색 다각형은 명목상 DC 전압인 두 IC에 VDD 전원을 공급하고 있으며, 인접한 레이어는 접지되어 있습니다. 하늘색 영역은 다른 레귤레이터에 의해 다른 전압을 공급받는 또 다른 DC 네트입니다. 그렇다면 이들을 다중 레이어 PCB에 쌓으면 어떻게 될까요?

위의 배열에는 DC 네트가 두 개 있습니다. 이 상황에 대해서는 나중에 자세히 다루겠지만, 하늘색 영역이 아날로그 전력 네트라면 어떻게 될까요? 혼합 신호 PCB 레이아웃에서는 기판의 서로 다른 영역 간에 노이즈를 결합하지 않도록 중첩되는 평면을 어떻게 배열해야 할 것인지에 대해 생각해 봐야 합니다. 혼합 신호 PCB 레이아웃의 주요 과제 중 하나는 아날로그 신호와 디지털 신호 간의 의도치 않은 간섭(이 간섭은 주로 아날로그 신호를 저하시킴)을 방지하는 것입니다. 여기에서는 두 평면 레이어 간의 전기 용량이 문제가 되는데, 이는 고주파에서 더 큰 문제가 됩니다.

서로 다른 퍼텐셜에서, 특히 혼합 신호 PCB에서 중첩되는 평면의 영향을 더 잘 이해하려면 다음 내용을 참고하세요.

중첩되는 DC 및 아날로그 전원

디지털 및 아날로그 다각형 또는 평면을 중첩하는 경우 두 전력 영역 간의 전기 용량은 아날로그 평면의 진동으로 인한 변위 전류로 끊임없이 충전 및 방전됩니다. 이 개념을 다음과 같이 표시할 수 있습니다.

아날로그 전원 버스를 통해 RF 신호로 전력이 공급되는 경우와 같은 고주파수 및 고전력에서 평면 간의 이러한 커플링은 평면 영역의 양측에서 진동하는 변위 전류로 인해 RF 방출을 생성할 수 있습니다. 이는 높은 GHz 전력 제품에서 문제가 될 수 있으며, 이에 따라 기판 내부에서 구조 공진이 일어날 수 있습니다. 그러면 비아 스티칭 또는 안테나 분리에 사용되는 전자기 밴드 갭 구조와 같은 더 복잡한 다각형을 사용하는 등의 일부 억제 단계가 적용되지 않는 경우 기판에서 강력한 에지 방출이 발생합니다.

분할되지 않은 단일 접지면 사용하기

'분할되지 않은' 접지면이란 물리적으로 분리된 섹션이 없는 접지면을 의미합니다. 고주파/고속 복귀 경로를 활용하여 일부 분리를 생성한다는 생각으로 균일한 접지 위의 서로 다른 영역에 아날로그 회로와 디지털 회로를 배치하는 것이 좋습니다. 또한 이렇게 하면 기판 전반에서 아날로그/디지털 트레이스를 왔다 갔다 하며 라우팅할 필요가 없어지므로 크로스토크가 줄어듭니다. 저는 균일한 접지면을 사용하는 것이 왜 좋은 지에 대해 간략히 설명하는 최근 블로그 게시물을 통해 이에 대해 자세히 논의했습니다.

서로 다른 퍼텐셜에 있는 두 DC 평면은 어떨까요?

서로 다른 DC 전압에 있는 두 전원면은 처음에 각각의 DC 전압까지 충전되며, 이 정상 상태에서는 평면에 어떠한 변위 전류도 없습니다. 하지만 이러한 DC 평면은 실제로 DC 퍼텐셜에 있지 않습니다. 스위칭 레귤레이터의 노이즈 또는 접지/전차선 붕괴로 인한 과도 노이즈 때문에 각 평면의 퍼텐셜은 명목상 DC일 수 있으며 각 평면에는 중첩된 스위칭 노이즈가 일부 있을 수 있습니다. 두 DC 평면 간에 결합할 수 있는 비정형 노이즈는 다음과 같습니다.

1. 여러 고조파에 걸쳐 높은 MHz 수준에 도달할 수 있는 레귤레이터의 스위칭 노이즈
2. 공통 모드 노이즈 또는 외부 라디에이터에서 수신된 EMI 등 다른 소스의 노이즈

요약

모든 접지를 단일 기준면에 시스템 접지로 연결하면 사용하는 모든 접지가 시스템에서 동일한 0V 퍼텐셜 정의를 갖게 됩니다(또는 가져야 합니다). 즉 아날로그 및 디지털 접지의 구분은 의미가 없으며 아날로그 및 디지털 전원만 신경쓰면 됩니다.

최적의 전원면 및 접지면 배열을 결정하는 것은 혼합 신호 PCB 레이아웃을 포함한 모든 PCB에서 어려울 수 있습니다. Altium Designer®의 CAD 도구를 사용하여 전원/접지 영역을 정의하고 물리적 레이아웃을 생성하세요. PCB 레이아웃에서 신호 무결성과 EMI를 평가해야 하는 경우 Altium Designer 사용자는 EDB Exporter 확장 기능을 사용하여 설계를 Ansys 필드 솔버로 가져와서 여러 강력한 신호 무결성 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 설계를 완료하여 제조업체와 파일을 공유하려는 경우 Altium 365™ 플랫폼을 사용하면 쉽게 협업하고 프로젝트를 공유할 수 있습니다.

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