도전 과제: 접지

Altium Designer는 다양한 설계 유형에서 모든 다른 접지 문제를 해결할 수 있는 다양한 방법을 제공합니다.

소개

그라운딩은 현대 인쇄 회로 기판 PCB 그라운딩 설계에서 가장 큰 도전 중 하나로 입증되었습니다. 회로는 새로운 기술로 인해 더 작아지고 아날로그에서 디지털로의 전환을 계속하면서 시간이 지남에 따라 점점 더 복잡해지고 있습니다. 그리고 이러한 더 작고, 더 지능적이며, 더 연결된 장치들은 그들의 회로를 제대로 그라운딩하는 것과 관련하여 점점 더 많은 도전을 제공하고 있습니다. 그리고 그 도전은 가까운 미래에 더 쉬워질 것 같지 않습니다. 불행히도, 우리가 직면할 수 있는 수많은 도전을 해결하는 방법을 찾아볼 수 있는 안내서가 없습니다. 만약 그랬다면, 우리는 설계 과정 중에 그것을 손쉽게 참고할 수 있고 걱정할 필요가 없을 것입니다. 하지만 대신, 우리는 그라운딩 과정에서 작고, 겉보기에 중요하지 않은 일련의 작업을 수행해야 하며, 어떤 실수라도 설계가 실패하고 재설계가 필요하게 될 수 있다는 지식을 가지고 있어야 합니다. 결과적으로, 예산을 초과하고 일정이 지연되면서 시장 출시 시간이 늘어나고 경쟁자들이 여러분의 제품을 출시하기 전에 그들의 제품 버전을 출시할 기회가 더 많아집니다. 이 모든 것과 그라운딩 도전으로 인해 발생할 수 있는 다른 여러 문제들이 있습니다. 그렇다면 이러한 도전을 어떻게 대면하고 오류를 제거할 수 있을까요? 살펴보겠습니다.

디지털과 아날로그 세계는 이미 합쳐졌습니다

우리는 앞서 아날로그에서 디지털로의 "전환"에 대해 언급했지만, 사실 이는 다소 잘못된 표현입니다. 실제로, 아날로그와 디지털 세계는 함께 합쳐지고 있으며, 이는 때때로 동시에 두 종류의 설계 모두에 대한 접지 문제를 야기합니다.

적절한 접지를 위한 방법

그렇다면 이것이 설계 과정에 무엇을 의미할까요? 이는 신호 반환 전압을 제어해야 하며 성능을 저하시킬 수 있는 잡음 접지 신호를 주의 깊게 살펴봐야 함을 의미합니다. 이러한 문제는 공통 전류, 신호 결합(내부 및 외부 모두) 등으로 인해 발생할 수 있습니다. 올바른 기술을 사용하면 이러한 잡음을 최소화하고 대부분의 기생 전압을 제거할 수 있습니다.

이것은 우리를 혼합 신호, 아날로그/디지털 환경에 대한 논의로 직접 이끕니다. 혼합 신호 IC는 디지털 및 아날로그 포트를 모두 가지고 있어 접지에 추가적인 도전을 제공하는 완벽한 예입니다. 더욱 도전적인 것은, 일부 혼합 신호 IC는 상대적으로 낮은 디지털 전류를 가지고 있는 반면, 다른 일부는 상당히 높은 전류를 가지고 있다는 것입니다. 따라서, 이 두 유형은 최적의 접지 측면에서 매우 다른 요구 사항을 가지고 있으며, 다르게 처리되어야 합니다.

또한, 한 주파수 범위에서 작동하는 것이 항상 다른 주파수 범위에서도 작동하는 것은 아닙니다. 중요한 것은 전류가 어떻게 흐르는지를 인식하는 것입니다. 주제에 대한 더 명확한 그림을 얻기 위해, 혼합 신호 장치에서 접지 방법에 존재하는 일반적인 철학에 대해 조금 이야기해 보겠습니다. 일반적으로 사용되는 여러 가지 방법이 있습니다.

1) 스타 그라운드:

스타 그라운드 이론은 모든 신호를 하나의 단일 접지점에 참조합니다. 핵심 요소는 모든 해당 전압이 측정되는 단일 "스타" 포인트입니다. 단일 점에 초점을 맞추면 그렇지 않으면 측정값에 대해 잘못된 값을 초래할 수 있는 정의되지 않은 접지가 없습니다. 불행히도, 이 방법은 종이 위에서는 잘 작동하지만 실제 상황에서 실천하기가 종종 어려울 수 있습니다.

스타 그라운딩 토폴로지

2) 차폐를 위한 평면 사용:

레이어 스택 범례

대부분의 경우, 접지면의 사용은 다층 보드의 단일 층이나 양면 인쇄 회로 기판의 바닥에서 시작되며, 이는 완전히 구리로 만들어집니다. 범람된 측면의 저항이 가능한 한 낮기 때문에, 완벽한 차폐를 제공하여 해당 층을 접지용으로 사용할 수 있습니다. 또한 전체 층의 크기에 걸쳐 퍼져 있기 때문에, 가능한 한 낮은 유도성을 제공하며, 잡음이 있는 접지 다른 전압을 최소화하는 측면에서 최상의 전도성을 제공합니다.

우리는 또한 전압 평면을 포함할 수 있습니다. 이들은 전체 레이어를 채우는 같은 원리로 작동하며, 매우 낮은 임피던스 도체의 장점을 가지고 있습니다. 이는 각 시스템 전압별로 각 평면에 할당되어, 시스템이 하나 이상의 평면을 가질 수 있도록 합니다. 다시 말하지만, 이것은 종이 위에서는 좋아 보이지만, 실제로는 항상 최선의 해결책은 아닙니다. 평면 자체는 여전히 잔류 저항과 인덕턴스를 가지고 있습니다. 어떤 상황에서는 이것이 회로가 예상대로 기능하지 못하게 할 수 있을 만큼 충분합니다. 특히 매우 높은 전류를 평면에 주입하면, 회로의 기능에 간섭을 일으키는 전압 강하를 일으킬 수 있습니다. 접지 평면의 또 다른 장점은 고속 아날로그 또는 디지털 신호 사용을 위한 임피던스 제어 마이크로스트립 또는 스트리플라인 기술을 사용할 수 있다는 것입니다.

3) 아날로그 디지털 접지 분리:

디지털 회로가 아날로그보다 훨씬 더 많은 잡음을 발생시킨다는 것은 널리 인정된 사실입니다--특히 TTL이나 CMOS와 같은 논리 회로는 그렇습니다. 논리 회로는 종종 몇 백 밀리볼트만을 사용하기 때문에, 소음이 많은 환경에 거의 면역입니다. 하지만, 그들은 또한 자신의 많은 소음을 생성합니다.

반면에 아날로그는 외부 잡음에 훨씬 더 취약하지만, 자체적으로 많은 잡음을 생성하지는 않습니다. 이는 아날로그와 디지털 회로를 결합할 때, 두 시스템이 분리되지 않는 한 아날로그의 성능이 디지털 잡음에 의해 쉽게 손상될 수 있음을 의미합니다.

RAM, 팬, 그리고 다른 고전류 장치와 같은 구성 요소를 추가로 포함하면, 적절한 차폐 없이 시스템을 잡음이 많은 환경에서 운영하는 것이 더 이상 괜찮지 않게 됩니다.

해결책은 아날로그와 디지털 접지를 시스템 내에서 단일 지점에서 결합하고, 모든 신호를 공통 전위에 참조하도록 하는 것입니다. 이는 스타 포인트 시스템과 유사하지만 적절한 차폐를 유지하면서입니다. 단일 지점은 위치가 전체 회로에 많은 영향을 미칠 수 있으므로 현명하게 선택해야 합니다. 대부분의 경우, 전원 공급장치 근처에 위치시키는 것이 최상의 결과를 줍니다. 따라서, 설계에 대한 더 나은 개요를 제공하기 위해 흐르는 전류의 분석이 종종 유용합니다.

잡음이 있는 신호

요약하자면

우리가 논의한 모든 방법 중에서 어떤 것도 모든 설계에 대해 100% 효과적인 해결책을 제공하지 않습니다. 그렇다면 어떻게 해야 할까요? 각 설계에 대해 옵션을 신중하게 고려하고 설계 특성을 기반으로 가장 잘 작동할 해결책을 결정하세요. 특히 혼합 신호 장치를 다룰 때는, 필요한 기술을 지원하고 주어진 설계 환경을 기반으로 적절한 제어 메커니즘을 제공하는 적절한 접지를 구현하는 데 도움이 되는 시스템을 갖추는 것이 필수적입니다.

우리가 어떻게 도와드릴 수 있는지

접지가 이루어질 수 있는 여러 방법과 분석 방법을 제어하는 것의 중요성을 보았습니다. 문제는 이 모든 문제를 하나의 도구로 해결하는 것입니다. 그러나 Altium Designer는 바로 그것을 제공합니다.

우리의 다양한 플러그인과 기능들을 사용하여, 예를 들어 Net-Ties를 통해 여러 다른 신호들을 한 곳에 연결하여 스타 접지를 생성할 수 있습니다. 평면은 우리의 레이어 스택에 직접 구현되어 있으며 즉시 사용할 준비가 되어 있습니다. 이 도구는 또한 분할 평면을 사용하고 연결 스타일을 빠르고 쉽게 정의할 수 있는 옵션을 제공합니다. 지능형 구리, 즉 폴리곤은 정의된 영역을 쉽게 채우기 위해 사용될 수 있습니다. 또한 한 번의 클릭으로 조정 가능한 해칭 기술을 지원합니다.

플러그인 시스템을 통한 다양한 분석 기능에 대한 추가 기술 지원으로, 문제보다 항상 한 발 앞서 있으며, 마주칠 수 있는 모든 접지 문제에 대비할 준비가 되어 있습니다.