PCB 스타 접지란 무엇이며, 왜 이를 사용할까요?

인터넷을 찾아보면 흥미로운 접지 권장사항들을 많이 볼 수 있습니다. 그런데 때로는 용어가 실제 전기적 동작에 대한 적절한 맥락이나 이해 없이 PCB에 그대로 적용되기도 합니다. DC에 대한 권장사항이 AC에 적용되고, 저전류 기준이 고전류에 적용되거나 그 반대가 되기도 하죠. 이런 사례는 끝이 없습니다. 업계의 유명 엔지니어링 블로그들에서도 권장사항으로 종종 보이는 더 흥미로운 접지 기법 중 하나가 바로 PCB 스타 접지입니다.

이 용어는 PCB 설계에만 국한된 것이 아니며, PCB에서의 그라운드 정의와 직접 관련이 없는 다양한 맥락에서도 사용됩니다. 본래는 시스템 분석 용어에 가깝고, 실제 회로 기판에서 그라운드 연결을 구현할 때의 실용적인 측면에 대한 충분한 고려 없이 PCB에 적용된 것으로 보입니다. 일부 레이아웃에서는 스타 접지를 흉내 낼 수는 있지만, 실제로 생각해 보면 이는 비실용적인 작업이 되기 쉽습니다. 보드에서 올바른 설계 방법은, 리턴 경로를 거의 또는 전혀 제어할 수 없거나 절연이 필요한 일부 경우를 제외하면, 그라운드 플레인을 사용하는 것입니다.

PCB에서 스타 접지를 구현하는 것은 어렵고 항상 필요한 것도 아니지만, 가정용, 상업용 또는 산업용 배선에서는 어떤 의미에서 실제로 사용되는 방식이기도 합니다. 절연이 필요하거나 케이블을 통한 긴 링크가 필요한 멀티보드 시스템에서는, PCB 스타 접지 철학을 따르는 흥미로운 설계를 다소 더 큰 규모로 구현할 수도 있습니다. 이 스타 접지 개념을 좀 더 깊이 살펴보면, 특정 조건에서 PCB에 이 방법을 적용할 수 있는 사례도 확인할 수 있습니다.

스타 접지란 무엇인가?

스타 접지는 일반적으로 여러 모듈, 계측기 또는 기타 장비를 하나의 단일 접지점에 연결하여 모두 동일한 전위를 갖도록 할 때 사용됩니다. 주택 배선에서 사용되는 데이지 체인 방식의 콘센트 그룹은 기본적으로 접지를 안전과 최종 기준점으로 하는 스타 구성으로 배열되어 있습니다. 같은 개념이, 주택 배선과 유사하게 동일한 전원 회로에 연결된 여러 모듈이나 계측기에도 자주 적용됩니다(데이지 체인 제외).

이 용어가 PCB에 적용되면, 라우팅에 좋지 않고(특히 임피던스 제어 라우팅), EMI 측면에서도 좋지 않으며, 전력 분배에도 종종 바람직하지 않은 접지 전략을 부추기게 됩니다. PCB에서 스타 접지를 구현해 EMI가 없는 혼합 신호 시스템을 만들 수 있는 경우가 한 가지 있기는 하지만, 이는 설계자에게 별다른 이점을 주지 않는 사소한 경우에 그칩니다. 멀티보드 설계에서도 스타 접지와 유사한 사례가 있지만, 이 역시 위에서 설명한 구성과 동일한 토폴로지입니다. DC나 저전류, 저주파 아날로그/오디오 같은 다른 경우에는 PCB에서 스타 접지가 적절할 수도 있지만, 시스템에 어떤 다른 기능이 포함되는지에 따라 달라집니다.

분명히 스타 접지는 모든 사람이나 모든 설계에 적합한 것은 아닙니다. 그런데도 저는 여전히 혼합 신호 시스템을 포함한 EMI 문제의 만병통치약처럼 이것이 권장되는 것을 자주 봅니다. 그렇다면 왜 스타 접지는 원래 PCB에서 사용하도록 의도된 것이 아님에도, 여전히 PCB에서 권장되는 걸까요?

왜 누군가는 PCB에서 스타 접지를 권장할까?

사람들이 PCB에서 스타 접지를 계속 권장하는 이유는 두 가지입니다. 하나는 디지털과 고주파 아날로그 간 절연을 제공하기 위해서이고, 다른 하나는 그라운드 루프를 방지하기 위해서입니다. 이 두 가지를 각각 살펴보겠습니다.

절연을 위해 스타 접지가 필요한 것은 아니다

이 권장사항은 오래된 잘못된 설계 지침에서 비롯되었습니다. 즉, 고주파 및 디지털 간섭을 막기 위해 플레인에 분할이나 컷아웃을 넣어야 한다는 지침입니다. 이 지침은 라우팅에도 좋지 않고 EMI에도 좋지 않으며, 특히 항상 타당하지도 않은 어색한 레이아웃 선택으로 이어집니다.

스타 접지의 발상은 한 종류의 신호(DC, 저주파 AC)의 리턴 경로와 다른 종류의 신호(고속, 고주파 등) 사이, 또는 각기 자체 그라운드 폴리곤 위에서 절연하고 싶은 두 회로 그룹 사이에 높은 임피던스의 장애물을 두는 것입니다. 이것이 의미를 가질 수 있는 경우는 세 가지 정도로 보입니다.

1. 회로 블록들이 완전히 절연되어 있고 전원부에서 단 하나의 그라운드 연결만 공유하며, 각 섹션 사이에 라우팅이나 섹션을 가로지르는 인터페이스(A/D 또는 D/A 컨버터 등)가 전혀 없는 경우
2. DC 또는 매우 저속의 신호(천천히 충전/방전되는 RC 회로)를 사용하고 있으며, 특히 높은 SNR 확보가 매우 중요한 경우(정밀 측정이 한 예)
3. 저레벨, 저주파 아날로그 신호(kHz 이하 주파수)를 저속 또는 고속 디지털 섹션과 분리해야 하는 경우

이러한 특수한 경우를 제외하면, 일반적으로 EMI와 크로스토크 문제 때문에 PCB에서 스타 접지 사용을 정당화하기 어렵습니다. 디지털 신호가 포함된 스타 접지에서는 보드 섹션 사이를 라우팅할 수 없는데, 그렇게 하면 상당한 방사 EMI가 발생하기 때문입니다. 본질적으로 두 섹션 사이의 틈을 가로질러 라우팅되는 모든 신호는 매우 큰 인덕턴스를 가진 루프를 만나게 되며, 이것이 그 신호의 리턴 경로를 규정하게 됩니다.

MHz 이상의 주파수를 다루고 있고, 아날로그 섹션 근처의 인터페이스로 라우팅해야 하는 디지털 신호를 사용한다면, 보드 레이아웃을 현명하게 구성하는 한 스타 접지는 필요하지 않습니다. 리턴 경로 절연은 문제가 되지 않습니다. 리턴 경로는 그라운드 플레인 전체로 퍼지는 대신 트레이스 근처에서 자연스럽게 정전용량적으로 결합되기 때문입니다. 연속적인 그라운드 플레인 위에서 아날로그 및 디지털 회로와 부품을 서로 다른 영역으로 적절히 구획하는 것이 여기서는 최선의 선택입니다.

위의 2번 경우와 관련해서는, 인터커넥트와 보드가 완전히 차폐되어 있다면 괜찮습니다. 하지만 높은 노이즈 내성이 필요한 민감한 측정을 해야 한다면 올바른 선택이 아닙니다. 이런 경우에는 높은 차폐 효과를 얻을 수 있으므로 보드 수준 및 인클로저 수준의 차폐가 해답이 될 수 있습니다.

PCB에서 스타 접지는 그라운드 루프 측면에서는 의미가 없다

PCB에서 스타 접지가 권장되는 또 다른 이유는 그라운드 루프를 제거하거나, 보다 정확히는 애초에 그라운드 루프가 생기지 않도록 하기 위해서입니다. 하지만 설계에 그라운드 루프 문제가 있다면, 스타 접지로 해결할 수 없는 다른 설계 문제가 있는 것입니다. 이것 역시 PCB 설계가 전자공학의 다른 분야에서 쓰이던 용어를 가져와 원래 의도되지 않은 방식으로 사용한 사례입니다.

1. PCB 설계자는 때때로 그라운드 루프를 리턴 전류가 흐르는 문자 그대로의 루프로 지칭합니다. 이는 (a) GND 넷 트레이스가 큰 원형으로 라우팅되거나, (b) 인클로저에 대한 도금된 PCB 장착 홀을 통한 다점 접지에서 발생할 수 있습니다. 99%의 경우, 단일 GND 영역 내의 전위차가 매우 작기 때문에 그라운드 루프를 알아차리지 못합니다. 이는 1uA 미만의 전류로 동작하는 고임피던스 센서처럼 매우 낮은 레벨의 신호를 다룰 때 매우 중요해집니다.
2. 전력 시스템 엔지니어는 이 용어를, 접지된/어스된 시스템에서 의도치 않게 전류가 흐르는 현상을 설명하는 데 사용합니다. 이런 시스템은 서로 멀리 떨어져 있을 수 있으며(같은 PCB 위가 아님), 전력 설비의 접지 폴이 실제로 대지에 연결된 경우와 관련해 자주 언급됩니다. 이러한 대지 연결에는 0이 아닌 저항이 존재하므로, 서로 다른 접지점에 연결된 장비들 사이에 접지 전위 오프셋이 생길 수 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

2번에서 설명한 그라운드 루프는, 1번의 (b)처럼 특정 그라운드 넷과 인클로저 사이에 두 개의 연결이 있거나, 서로 다른 두 레이어의 GND가 높은 임피던스 연결로 이어져 있고 그 사이에 0이 아닌 전위차가 있을 때 PCB에서도 발생할 수 있습니다.

PCB에서는 이와 유사한 상황이 더 작은 규모로 나타날 수 있으며, 디지털 섹션에서만, 아날로그 섹션에서만, 두 섹션 모두에서, 또는 두 섹션 사이에서(인클로저가 관련될 때) 발생할 수 있습니다. 가상의 스타 접지 PCB에서 디지털 섹션에서만 발생하는 예는 아래와 같습니다.

서로 분리된 장비에서 이러한 문제가 발생하는 것은, 긴 차폐 케이블에 여러 단일 종단 신호를 사용하는 대신 긴 케이블에서 차동 신호를 사용하는 주된 이유 중 하나입니다. 차폐 케이블은 접지 오프셋이 크지 않은 짧은 거리에서는 괜찮습니다. 그러나 차폐층이 양쪽 끝에서 모두 접지에 연결되어 있고 접지 오프셋이 존재하면, 그 차폐 케이블은 이제 그라운드 루프 전류를 운반하게 됩니다. 이는 안전 문제로 이어질 수 있습니다. 양쪽 어느 쪽이든 차폐나 섀시 연결부를 잡는 사람이 대지로 가는 경로를 만들면 감전될 수 있고, 케이블이 과열되거나 타버릴 수도 있습니다.

PCB에서는, 그라운드 연결에 높은 임피던스가 있어서 그라운드 플레인에 일정한 접지 오프셋 전위가 생기지 않는 한, 실제로는 이런 문제가 거의 없습니다. 이런 일이 발생할 수 있는 한 곳은 인클로저로, RF용이 아니라 고전류 DC처럼 잘못된 상황에서 다점 접지를 사용하는 경우입니다. 이것이 안전 문제가 되는 경우는 다음과 같을 때뿐입니다.

• 단일 그라운드 영역 내의 모든 다점 접지 연결이 시스템의 그라운드 리턴에 대해 높은 임피던스를 가질 때
• 시스템이 고전류로 동작할 때
• 사용자가 그라운드 루프를 운반하는 도체와 접촉할 수 있을 때

여기서 주목할 점은 서로 다른 그라운드 영역의 가능성조차 아직 언급하지 않았다는 것입니다. 이 모든 것은 동일한 그라운드 영역(단일 플레인) 내부의 문제입니다. 요점은 이렇습니다. 스타 접지가 있어도 그라운드 루프는 생길 수 있으며, 만약 그 그라운드 루프가 신호 무결성 문제를 일으키고 있다면, 스타 접지로는 해결할 수 없는 다른 문제가 있을 가능성이 큽니다. 대부분의 PCB에서 그라운드 루프와 관련한 주된 문제는 저레벨 아날로그 신호(보통 어떤 센서에서 오는 신호)를 방해할 수 있는 광대역 노이즈이며, 이로 인해 샘플링된 신호에서 SNR이 높아지고 데이터가 부정확해질 수 있습니다.

올바른 접지 관점으로 접근하자

잘 설계된 PCB의 접지 회로는 전류에 대해 낮은 임피던스의 리턴 경로를 제공하기 위해 정밀한 접근 방식에 의존합니다. 노이즈를 억제하기 위해 설계에서는 리턴 전류 경로로 그라운드 플레인을 사용할 수 있습니다. 절연을 얻기 위해 아날로그 그라운드 영역과 디지털 영역 사이에 분할이나 단절을 두어서는 안 됩니다. 유일한 예외는 오디오 주파수 대역에서 DC 전원을 다른 모든 것과 분리해야 하는 경우, 그리고 보드 전체가 오직 DC에서만 동작하는 경우입니다. 이 외에도 일부 저주파 예외 사례가 더 있을 수 있습니다.

디지털 섹션이 포함된 대부분의 설계에서는 그라운드 영역을 분할하고 좋지 않은 라우팅의 스타 접지 구성을 만드는 것보다, 그라운드 플레인 위에서 보드를 올바르게 레이아웃하는 데 집중해야 합니다. 접지와 관련된 다양한 사례 및 이 글에서 스타 접지의 문제점에 대해 더 자세히 읽어볼 수 있습니다. 보시다시피 PCB 설계에서 스타 접지가 허용되는 주요 사례는 완전히 사소한 경우에 불과합니다. 이를 구현해도 얻는 이점은 없으며, 차라리 설계의 각 섹션을 각각 별도의 보드에 배치하는 편이 낫습니다. 보드를 올바르게 레이아웃하면 적절한 라우팅을 통해 방사 EMI를 줄일 수 있습니다.

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