전원 평면과 접지 평면: PCB 전원 평면을 반환 경로로 사용해야 할까요?

전원 평면(때로는 전원 레이어라고도 함)과 접지 평면은 단순히 전력을 공급하는 분배 이상의 중요한 역할을 합니다. 임피던스 제어 라우팅과 리턴 경로 관리에서 기준 평면을 정의할 때, 스택업은 리턴 전류가 PCB 전원 평면으로 통과한 후 접지 레이어로 다시 결합되도록 강제할 수 있습니다. 임피던스 제어 트레이스 폭의 기준으로 GND 참조 레이어를 정의하더라도, 설계의 전원 레이어 길이에 따라 명확한 리턴 경로를 정의해야 합니다. 전원 레이어를 리턴 경로로 사용하는 PCB에서 리턴 경로를 제어하기 위한 몇 가지 좋은 방법을 살펴보겠습니다.

PCB 전원 평면을 리턴 경로로 사용할 때의 신호 동작

"리턴 경로"라고 할 때, 설계에서 리턴 전류가 자연스럽게 따르는 경로를 말하며, 이 경로를 통해 전류가 PCB 어셈블리의 입력 측 저전압 단자로 다시 이동할 수 있습니다. 전송선상에서 신호가 이동할 때, 리턴 경로는 선과 기준 평면 사이의 전기 용량에 의해 결정됩니다. 높은 용량, 높은 주파수 또는 둘 다가 있으면 리턴 전류가 변위 전류로 접지 레이어로 쉽게 통과할 수 있습니다.

이는 전송선과 그 참조면 사이의 거리가, 그 참조면의 유형이 무엇이든, 실제 설계에서 중요한 전기적 행동을 결정한다는 것을 의미합니다. 이러한 행동에는 다음이 포함됩니다:

• 외부 소스로부터의 전자기 간섭(EMI) 취약성, 이는 큰 전류 루프를 통해 유도적으로, 또는 전기장을 통해 정전기적으로 수신될 수 있습니다
• 일관성 없는 임피던스, 이는 평면 영역 사이, 간격을 지나거나 연결선을 따라 트레이스 폭이 변할 때 발생합니다
• 다른 트레이스로부터의 크로스토크, 이는 설계가 
• 전파 중 손실, 이는 전송선과 인접한 참조면 또는 다른 도체 사이의 필드 라인 집중으로 인해 발생합니다

반환 경로나 신호 참조를 제공하는 인접 층으로 전원 평면이나 접지 평면 중에서 선택할 수 있다면, 항상 PCB 접지 평면을 선택해야 합니다. 이에 대한 이유는 아래에서 더 자세히 설명하겠습니다.

정전 용량 결합

전력 평면이 어떻게 반환 경로로 기능하는지 (또는 기능하지 않는지) 논의하기 전에, 전송선에서 전류가 어떻게 PCB 전력 평면으로 들어가는지에 대한 질문을 던져야 합니다. 대답은: 전기적 결합입니다! 위에서 언급했듯이, 반환 경로는 전송선과 근처의 도체 사이에서 유도됩니다. 근처 평면층의 경우, 선과 평면 사이에 전기적 잠재력이 변할 때마다 이런 현상이 발생합니다. 따라서, 평면 옆에 트레이스를 라우팅하고 디지털 신호가 그 트레이스를 따라 이동할 때, 이제 평면층에서 변위 전류가 유도됩니다.

근처 평면이 전원 입력에서의 저전위 지점과 동일한 전위를 가진 접지 평면이라면 모든 것이 잘 될 것입니다. 문제는 전류가 전력 평면에서 근처의 접지층으로 전달되어야 할 때, 전류가 PCB 접지 평면에 도달하기 위해 다른 유전체 층을 통과해야 한다는 것입니다.

스택업이 어떻게 설계되었는지와 신호가 유도되는 보드 내의 영역에 따라, 두 레이어 사이의 커패시턴스는 전원 평면과 접지 평면 사이에 매우 높은 임피던스 경로를 형성할 수 있습니다. 스택업에 따라, 아래에 보여진 간단한 4-레이어 스택업과 같은 경우, 전원 레이어와 PCB 접지 평면 레이어 사이의 평면 커패시턴스는 매우 작을 수 있습니다(제곱 밀리미터 당 펨토패럿 순서), 극도로 빠른 디지털 신호나 매우 높은 주파수 RF 신호를 제외하고는 극도로 높은 임피던스 반환 경로를 생성합니다. 이 여정에서 전원 평면과 접지 평면 사이의 유일한 다른 옵션은 아래에 보여진 것처럼 가장 가까운 디커플링 커패시터를 통하는 것입니다. 어느 경우든, 보드 어딘가에서 EMI 문제가 발생할 수 있습니다.

일반적으로 더 낮은 속도의 단일 종단 신호(예: 상승 시간이 제한된 I2C 또는 SPI 신호와 같은)의 경우, GND에 대한 이러한 커플링에서 발생하는 EMI가 가장 큰 문제가 아닐 수 있습니다. 이는 순수 DC나 저주파 아날로그 장치에서는 전혀 발생하지 않습니다. 그러나, 오늘날 표준 CMOS 구성 요소로는, 일반 디지털 구성 요소의 단일 종단 버스조차도 이 문제를 가질 수 있습니다. 그렇다면 해결책은 무엇일까요?

답은 PCB 스택업을 재설계하는 데 있습니다. 가장 간단한 방법은 접지 반환을 제공하는 레이어를 추가하는 것입니다. 일반적으로 모든 GND 평면이 적절한 간격으로 배치된 스티칭 비아로 연결되어 있다면 다른 설계 변경이 필요하지 않습니다. 설계 관점에서 더 시간이 많이 소요되는 것은 위의 4-레이어 스택업에서처럼 PWR과 신호를 같은 레이어에 배치하고, 그 위에 PWR을 동일 레이어에 붓는 것입니다.

4-레이어 예시

위의 예시 4-레이어 보드에서, 스택업은 연속적인 비트 스트림을 제공해야 하는 버스와 라인이 GND 바로 위의 상단 레이어에 배치될 때 가장 잘 사용됩니다. RC나 직렬 종단으로 속도를 늦출 수 있는 제어 신호와 같은 다른 신호는 뒷면 레이어에 배치할 수 있으며, 다른 지원 구성 요소도 마찬가지입니다. 그러나, 디지털 버스가 양면 레이어에 있는 4-레이어 PCB가 필요한 경우, 대안적인 스택업을 사용하는 것이 최선의 방법입니다.

아래의 스택업은 소음을 억제하고 모든 곳에 명확한 반환 경로를 제공하는 최선의 대안으로 여겨집니다. 이것은 신호와 전력이 상위 레이어에 라우팅되는 SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR 스택업입니다. 이는 전력 레일이 인접한 GND 평면에 가깝게 배치될 것이기 때문에 매우 강력한 디커플링을 제공합니다.

• 이 대안적인 4-레이어 스택업에 대해 더 알아보기

이 보드에는 여러 전력 레일이 있을 때 발생할 수 있는 한 가지 어려움이 있습니다. 4-레이어 보드가 양쪽 레이어에 고속 신호를 필요로 하고 여러 전력 레일과 강력한 전력 무결성이 필요한 경우, 표준 SIG/GND/PWR/SIG 스택업은 작동하지 않습니다. 이때 두 개의 레이어를 추가하고 6-레이어 스택업을 구축하는 것이 최선의 선택입니다.

6-레이어 예시

대부분의 라우팅 및 레이아웃 문제와 마찬가지로, 그로 인해 전자기 간섭(EMI) 문제가 발생하는 경우, 문제의 원인은 보통 접지를 정의하는 것이거나 PCB 스택업에서 잘못된 레이어 배열을 가지고 있는 경우입니다. 전원 평면을 임피던스 참조 및 신호의 반환 경로로 사용할 수 있지만, 아래에 표시된 유형의 레이어 스택에서 레이어 간의 결합을 방지하기 위해 근처에 PCB 접지 평면을 배치해야 합니다.

밀집된 디자인에서 때때로 사용되는 스택업 중 하나는 아래에 표시된 6레이어 스택업입니다. 상단 및 하단 신호 레이어는 직접 접지와 연결되어 있지만, 여전히 L3에 파란색으로 표시된 전원 평면(레이어 두께에 따라 L2에 대한 높은 평면 커패시턴스를 가질 수 있음)이 있습니다.

• 6레이어 스택업 가이드라인에 대해 더 알아보기

내부 레이어에서 고속 라우팅을 할 때 이상적이지 않은 대안적인 레이어 배열은 L2에 전원이 있고 두 개의 인접한 신호 레이어를 가지는 것입니다. 이는 내부 크로스토크를 허용하고 PCB에서 신호가 다른 영역으로 분할되지 않은 경우 접지로의 반환 전류를 가져오는 데 문제를 일으킬 수 있습니다. 더 나은 배열은 위에 표시된 6 레이어 보드를 사용하는 것입니다.

트레이스로 직접 결합하는 것은 어떨까요? 일반적으로, 신호 트레이스의 작은 치수로 인해 인접한 층 사이의 기생 커패시턴스는 꽤 작을 수 있으며, 이는 L3의 전원 평면과 L5의 접지 평면 사이의 어떤 반환 전류에 대해 다소 높은 임피던스 반환 경로를 생성합니다. 전원 층과 접지 평면 사이의 어떤 반환 전류에 대해 저 임피던스 반환 경로를 제공하는 일반적인 방법은 전원/접지 평면 사이에 디커플링/바이패스 커패시터를 배치하는 것입니다. 위의 예에서, 전원 평면에 유도된 어떤 반환 전류에 대한 선호되는 저 임피던스 경로는 L5가 아닌 L2의 접지로 직접입니다.

핵심 요약: 반환 경로를 엔지니어링하세요

신호가 전원 평면에 다시 결합되어 가장 가까운 PCB 접지 평면으로 용량성 결합을 하거나, 직접 접지 평면으로 돌아가는 것을 허용하든, 원하지 않는 신호 간의 결합을 방지하기 위해 반환 경로를 신중하게 설계해야 합니다. 여기서 중요한 점은 회로가 PCB 접지 평면에 다시 연결될 때, 이 결합이 직접적이든, 분리/바이패스 커패시터를 통해서든, 또는 면간 용량 덕분이든, 회로가 완성된다는 것입니다. 이것이 현대 PCB에서 우리가 항상 접지 평면과 인접하게 라우팅하라고 말하는 이유입니다: 이렇게 하면 반환 경로를 직접 접지 평면으로 보낼 수 있어 바이패스 캡, 구리 주입을 사용한 스티칭 비아나 나쁜 스택업으로 인해 발생하는 문제를 해결하지 못하는 다른 조치를 사용하지 않아도 됩니다.

전력 평면을 차폐층 및 PCB 기준면으로 활용할 수는 있지만(신호 트랙과 전력 평면 사이의 전압 차이가 0V가 아닌 경우를 가정), 일반적으로 반환 경로를 제어하기가 어렵습니다. 이는 특히 고속/고주파수 보드에서 더욱 그렇습니다. 저신호 레벨에서 작동하는 더 고급 설계에서는 차동 쌍을 사용할 수 있으며, 이 경우 반환 경로는 차동 구동에 의해 제공되어, HIGH 신호 트레이스와 평행하게 흐릅니다. 보드에서 반환 경로를 추적하는 방법에 대해 더 알고 싶다면, Francesco Poderico의 이 기사를 확인해 보세요.

Altium Designer^®의 최신 PCB 레이아웃 및 라우팅 도구에는 DRC 엔진과 인터페이스하는 접지 반환 경로 도구가 포함되어 있습니다. 이를 통해 트레이스와 가장 가까운 PCB 기준면 사이의 편차에 대한 한계를 설계 규칙으로 정의할 수 있습니다. 이 규칙은 보드를 생성할 때 대화형 라우팅 도구에 의해 자동으로 검사됩니다. 또한 신호 무결성을 분석하고 제조업체 제출물을 준비하기 위한 완벽한 도구 세트도 갖추게 됩니다.

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