도금된 PCB 장착 홀에 대한 PCB 접지 기술

기판은 인클로저에 배치할 때마다 어떻게든 해당 인클로저에 장착해야 합니다. 나사로 PCB 표면을 손상하지 않고 안전하게 장착하려면 보통 모서리에 도금된 스루 홀을 배치하기만 하면 됩니다. 필요한 경우 장착 지점을 네트 중 하나에 다시 전기적으로 연결할 수 있도록 이러한 PCB 장착 홀의 패드는 보통 솔더 마스크 아래에 노출됩니다. 이 경우 종종 접지 및 PCB 장착 홀과 관련된 궁금증이 생깁니다. 장착은 설계 시 접지되어야 할까요? 만약 그렇다면 어떻게 접지되어야 할까요? 항상 샤시에 연결되어야 할까요, 내부 접지에만 연결되어야 할까요, 아니면 다른 곳에 연결되어야 할까요?

이는 흥미로운 질문이며, 그에 대한 답변에서는 보통 '항상/절대'와 같은 표현이 사용됩니다. 누군가는 장착 홀을 항상 인클로저에 접지한다고 주장하는 반면, 또 다른 누군가는 설계를 망칠 수 있으므로 절대 그렇게 해서는 안 된다고 주장할 것입니다. 이런 식으로 만들어진 대부분의 설계 규칙과 마찬가지로, 실제 답변은 더 복잡하며 입력 전력에서 접지 시스템의 구조에 이르기까지 설계의 여러 측면과 관련되어 있습니다. PCB에 대한 입력에서 전력 및 접지가 어떻게 정의되는지를 이해하면 접지를 적절하게 처리하는 장착 전략을 설계하기가 더 쉬워집니다.

PCB 장착 홀을 설계하는 방법

이름에서 알 수 있듯이 PCB 장착 홀은 회로 기판을 인클로저에 고정하는 데 사용됩니다. PCB 장착 홀에 관해 모두가 동의하는 몇 가지 사항은 다음과 같습니다.

• 장착 홀은 금속 나사로 장착되므로 보통 도금되어야 합니다.
• 플로팅하는 금속 조각은 EMI의 원인이 될 수 있으므로 장착 홀은 일부 접지 네트(어스(PE), 신호 접지(SGND), 접지된 인클로저 등)에 연결되어야 합니다.
• 장착 홀은 일부 표준 크기 파스너를 수용할 수 있는 크기여야 합니다.
• 장착 홀은 도금되지 않아도 되지만, 이는 설계에 플라스틱 나사 또는 스탠드오프를 사용하는 경우에만 적절합니다.

일부 중요 리소스에서는 장착 홀과 툴링 홀을 구분하지 않기 때문에 저는 툴링 홀에 관한 이전 문서에서 이에 대해 좀 더 자세히 설명했습니다. 장착 홀은 거의 확실히 기판 접지 시스템에 사용되기 때문에 설계자에게는 두 홀의 차이점이 중요합니다. 즉, 해당 차이점이 설계에서 EMI와 안전에 정확히 어떤 영향을 미칠지 고려해야 합니다.

인클로저에는 도금된 장착 홀을 연결하는 것이 가장 좋으며, 해당 연결이 가능한 경우에는 샤시 접지를 어스에 연결할 수 있습니다. 하지만 인클로저에 금속 소자가 있는 배터리 구동 시스템처럼 그렇지 않은 경우도 있을 수 있습니다. PCB 장착 홀, 인클로저 및 어스의 연결 방식에 따라 장치는 EMI를 경험하거나 사용자에게 전기 쇼크를 유발할 수 있습니다. 후자의 경우는 공급 장치의 섀시가 플러그가 꽂힌 상태에서 어스에 제대로 접지되어 있지 않거나 플러그가 뽑힌 상태에서 음극 공급 단자에 제대로 접지되어 있지 않은 경우 컴퓨터 전원에서 발생할 수 있는 문제 중 하나입니다. 적절한 어스 연결로 PCB 접지 기술을 제대로 구현하면 어떠한 플로팅 접지든 제거할 수 있습니다. 이는 금속 인클로저에서 접지된 PCB 장착 홀의 주요 용도 중 하나입니다.

PCB 접지 기술 및 장착 홀

위 이미지를 지나치게 일반화하여 받아들여서는 안 됩니다. 경우에 따라 장착 홀을 기판 대신 인클로저에 접지해야 할 수도 있기 때문입니다. 달리 접지할 곳이 없어서 장착 홀을 내부 연결에 접지해야 하는 경우도 있습니다. 장착 홀에 PCB 접지 기술을 적용할 때는 처리해야 하는 전류, 해당 전류의 주파수 및 ESD와 같은 안전 문제를 고려해야 합니다. 안타깝게도 하나의 접근 방식으로 모든 가능한 상황을 해결할 수는 없습니다. 하지만 아래의 사항이 PCB를 장착할 때 발생하는 접지에 대해 생각할 때 도움이 되기를 바랍니다.

사례 1: 전기적 절연이 없는 저전류 DC

아래 표에는 표준 PCB 접지 기술의 일환으로 도금된 PCB 장착 홀을 다루는 방법을 보여 주는 몇 가지 상황이 나와 있습니다. 여기서는 3-와이어 DC(POS, NEG 및 어스 GND 연결), 2-와이어 DC(POS 및 NEG만) 및 DC로 정류되는 3-와이어 AC의 경우를 다룹니다.

이 외에도 저전류에서 정의되는 GND를 다뤄야 할 상황은 많습니다. 이러한 지침은 주로 인클로저와 PCB 접지면을 동일한 퍼텐셜로 설정하여 금속 인클로저(또는 금속 소자가 있는 플라스틱 인클로저)에서 발생하는 EMI를 억제하기 위한 것입니다.

3-와이어 시스템 및 3-와이어 AC/2-와이어 DC 시스템에서 시스템 내부에 PE와 음극 공급 GND를 연결해야 하는 경우에는 입력 지점에서 연결하세요. 그러면 GND 루프를 방지하는 동시에 인클로저의 금속 소자가 차폐를 제공하고 플로팅하지 않도록 할 수 있습니다. 이는 가정용 배선을 모방한 것입니다. 즉, 회로 접지와 시스템 접지 간의 연결이 시스템 입력에서만 공급되며(예: 브레이커) 전력이 GND로 반환되는 지점에서는 공급되지 않습니다. 하지만 해당 연결은 보통 벽 콘센트/브레이커의 플러그에서 생성되며, 기판과 인클로저 사이에 추가 연결을 만들면 입력 케이블을 통해 소규모 접지 루프가 생성될 수 있습니다.

금속 인클로저에서 사례 1과 관련하여 발생하는 문제

접지/샤시가 연결된 3-와이어 DC: PCB 장착 홀이 하나의 지점에서 PCB GND를 인클로저와 연결하면 코드의 업스트림 부분이 어스에 연결될 때 코드에 GND 루프가 생성될 수 있습니다. 여러 지점에서 연결하면 GND에 더 안전하게 연결할 수 있고 표류 전류, ESD 등을 위한 접지 경로가 확보되지만, 인클로저를 통해 기판 주위에 DC 접지 루프가 생성될 위험이 있습니다(견고하고 낮은 임피던스 연결로 이러한 문제를 방지하세요). 도금된 PCB 장착 홀 지점이 하나 뿐인 경우에도 고주파 노이즈에 대해 용량 결합 전류가 있을 수 있으므로 공통 모드 노이즈는 다시 입력으로 돌아가게 됩니다. 안전, EMI 억제 및 낮은 노이즈의 균형을 가장 잘 맞추려면 장착 홀을 도금하여 금속 인클로저에 연결하되 PCB의 신호 접지에서 분리된 상태로 두어야 합니다. 필요한 경우에는 언제든지 억제 회로를 사용하여 ESD를 위한 경로를 만들 수 있습니다.

이와 관련해서는 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 안전 효과를 얻으려면 어스에 대한 낮은 임피던스 연결을 보장해야 합니다.

2-와이어로 정류되는 3-와이어 전력: 인클로저가 금속화된 경우에는 도금된 장착 홀을 통해서만 PCB GND를 인클로저와 연결해야 합니다. 이는 케이블이 차폐되지 않고 두 개의 와이어를 통해서만 전력을 공급하는 경우에 적용됩니다. 하지만 모든 것(정류기 + DC 출력)이 하나의 기판에 있는 경우에는 일반적인 3-와이어 시스템에 대한 이전 지침을 따라야 합니다. GND 루프가 생성될 수 있으니 주의하세요. GND에 대한 장착 홀 연결이 여러 개인 경우 DC에 인클로저/GND 평면을 통해 루프 문제가 발생할 수 있지만, 고주파 노이즈 문제가 있거나 기판의 여러 지점에 ESD 소스가 여러 개일 수 있는 경우에는 보통 다중 연결을 사용하는 것이 좋습니다. 해결하려는 구체적인 문제에 대해 생각해 보세요. 

2-와이어 DC: 이 사례는 배터리 또는 벤치-톱 전원 공급 장치가 있는 경우에 발생하며, 이전 사례와 같을 수 있습니다. 다시 말하지만, 하나의 접지 방법으로 모든 문제를 해결할 수는 없기 때문에 해결하고자 하는 구체적인 문제를 고려한 접지 전략을 세우는 것이 좋습니다. 제가 여기서 이 내용을 언급하는 이유는 오늘날의 전자 장치가 정확히 이 2-와이어 구성을 사용하며, 공통 모드 노이즈를 억제하면서 RF 노이즈에 대해 안전을 유지하려고 하기 때문입니다.

배터리를 다루는 경우에는 전류가 보통 충분히 낮아서 전원 공급 장치 입력에 매우 낮은 임피던스 연결이 있으면 도금된 PCB 장착 홀을 통해 인클로저를 기판 GND와 연결할 수 있습니다. 접지를 서로 연결하여 플로팅 상태를 방지하려는 경우에는 이 작업을 하나의 지점(전원 공급 장치 입력)에서 수행하는 것이 가장 좋습니다. 이 작업을 여러 지점에서 수행하면 여러 위치, 특히 커넥터 근처(예: 산업용 이더넷)에서 ESD/표유 전류에 대한 안전성이 향상됩니다. 이는 기본적으로 노트북이 플러그가 뽑혀 있을 때 금속 케이스를 사용하여 수행하는 작업입니다. 하지만 이제 케이스 또는 사용자를 통해 전류가 흐르고 접지 루프가 생성될 가능성이 있으며, 이 두 문제는 모두 사용자 안전과 정밀 측정 응용 분야에 좋지 않습니다.

3-와이어 DC 전원 시스템 및 3-와이어/2-와이어 정류 DC 전원 시스템에 대한 이상적인 상황은 장착 홀이 PCB 접지면에 접지된 상태에 한해 전원 입력에서 단일 장착 홀을 통해 어스와 인클로저를 연결하는 것입니다. 인클로저와 어스 간의 임피던스는 최대한 낮아야 하며, 보통 큰 나사 또는 접지 러그를 수반합니다.

안타깝게도 입력에서 도금된 PCB 장착 홀 하나로 모든 것을 접지하는 것이 항상 실현 가능한 것은 아닙니다. PCB에 장착 홀이 하나인 경우 해당 홀은 기판 중앙에 있을 수도 있는데 그 위치가 항상 전원 입력인 것은 아니기 때문입니다. 보통 장착 홀은 여러 개 있습니다. 이러한 홀은 일반적으로 기판의 모서리에 있는데, 대형 기판에서는 구조적 지원을 제공하고 진동을 방지하기 위해 이러한 홀을 PCB 주위에 분산시킬 수 있습니다. 모든 장착 홀이 도금되어 있고 동일한 기판-인클로저 연결을 만드는 경우에는 접지 루프가 생성될 수 있습니다. 그럴 때면 항상 고주파 노이즈에 대한 일부 용량 결합으로 인해 공통 모드 노이즈가 다시 기판의 I/O 측으로 돌아가게 됩니다. 즉, 고주파 노이즈에 대해 용량 결합 접지 루프가 생성됩니다.

'ESD 안전성을 극대화하기 위해 도금된 장착 홀을 여러 개 사용할지', '접지 루프와 노이즈를 방지하기 위해 도금된 장착 홀을 하나만 사용하고 나머지는 모두 도금되지 않은 상태로 둘지', 아니면 '낮은 EMI와 높은 차폐성을 위해 케이스가 접지되도록 할지'는 상황에 따라 적절히 판단해야 합니다. 도금된 장착 홀을 사용하여 PCB GND를 인클로저 및 어스와 연결하기 전에 먼저 설계 요구 사항을 신중히 고려하세요.

사례 2: 전기적 절연이 있는 고전류

노이즈가 항상 중요한 문제는 아니며 진짜 문제는 안전이기 때문에 이 사례는 까다로울 수 있습니다. 이 유형의 시스템은 전원 공급 장치에 흔히 사용되며, 전기적 절연을 제공하는 한 가지 목적은 1차 측의 쇼크가 출력 측에 도달하는 것을 방지하는 것입니다. 더구나 인클로저와의 연결을 통해 시스템의 입력 및 출력 측을 연결하여 절연을 파괴해서는 안 되므로 인클로저에 어스 연결을 사용하고, 도금된 장착 홀이 있는 PCB를 샤시에만 연결하세요.

이 경우 샤시를 어스에 접지하고 전원 입력에서만 PCB GND-어스 연결을 수행한 후 도금된 장착 홀을 사용하여 섀시에만 연결하는 것이 좋습니다. 위 이미지를 참고하세요. 절연된 시스템의 2차/출력 측에서도 똑같이 도금된 장착 홀을 섀시에만 연결하고 2차 측의 PCB GND에는 연결하지 마세요. 2차 GND 영역에서 노이즈가 많은 복사성 방출이 발생하지 않도록 하려면 1차 및 2차 GND 영역을 클래스 Y 커패시터와 연결합니다. 그러면 DC 전류에 대해 전기적 절연이 보장되면서 모든 GND 영역이 AC 전류에 대해 동일한 포텐셜에 있게 됩니다.

PCB 장착 홀 설계를 위한 기본 팁

PCB 장착 홀은 실제로 설계에서 당연하게 여길 수 있는 전기 기능입니다. 기계적인 관점에서는 필요한 경우 섀시에 대해 낮은 임피던스의 전기 연결을 허용하면서 파스너를 수용할 수 있도록 충분히 큰 홀과 패드로 그 크기를 조정해야 합니다. 이러한 점 외에도 모든 장착 홀을 금속 인클로저에 접지한다고 해서 모든 문제가 해결되는 것은 아니라는 점을 기억하세요. 장착 홀로 구현하는 PCB 접지 기술이 모든 EMI 또는 안전 문제를 해결하는 것은 아니므로 시스템의 특정 문제를 해결하는 접지 전략을 수립해야 합니다.

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