PCB 전원 레일이 저임피던스여야 하는 이유

제가 여러 기사에서 밝힌 바와 같이, 업계에 제공되는 PCB 설계 정보에서도 알 수 있듯이, 임피던스를 올바르게 설정하는 것은 제품이 제대로 작동하고 설계대로 기능하는지를 보장하는 데 있어 매우 중요합니다.

그렇게 쉽게 이해되지 않고, 제품 개발 단계에서 적절히 해결되지 않으면 문제가 될 수 있는 것은, 모든 PCB 전원 레일이 저임피던스 전원 공급 장치여야 하며, 이를 통해 신호의 과도한 리플을 피할 수 있다는 필요성입니다. 이 글에서는 이러한 필요성을 다루며, 전원 레일 전자기기가 무엇인지, 어떻게 기능하는지, 두려움이 나쁜 설계 결정을 내리는 데 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 전원 레일이 무엇인지에 대해 설명할 것입니다.

임피던스 개요

임피던스는 전송선의 중요한 특성입니다. 이는 전송선이 에너지의 흐름에 제시하는 저항입니다. 임피던스는 저항, 용량, 인덕턴스의 세 가지 기생 요소로 구성됩니다. 설명된 바와 같이, 기생 저항은 DC 또는 저주파에서 전송선 임피던스를 결정하는 주요 요소입니다. 주파수가 몇 킬로헤르츠보다 높아지면, 기생 인덕턴스의 리액턴스는 에너지의 흐름을 차단하거나 방해하는 경향이 있습니다. 동시에, 기생 용량은 에너지를 "접지" 또는 평면으로 새어나가게 합니다. 이 두 요소가 함께 작용하여 전자기장이 모든 주파수에서 특정 임피던스를 보게 됩니다.

PCB 전원 레일의 정의

그렇다면 전원 레일이란 무엇일까요? 전원 레일은 일부 전압을 사용하기 위해 사용되는 평면 레이어의 전부 또는 일부입니다. 회로가 기능하도록 에너지를 공급합니다. 거의 모든 인쇄 회로 기판에서, 일부 신호들, 종종 그 절반은 전원 레이어 위로 라우팅되어야 합니다. 결과적으로, 주어진 전원 평면에 있는 어떤 리플이나 노이즈도 특정 평면 위로 라우팅되는 신호에 결합될 수밖에 없습니다.

리플은 전원 공급 장치의 Vcc 또는 Vdd 레일에 나타나는 전압 변동을 의미합니다. 이러한 변동은 전원 공급 레일 자체 또는 공급 전압을 떨어뜨리는 변동하는 부하 전류에 의해 생성될 수 있습니다. 노이즈 측면에서, 설계에 의해 생성될 수 있는 열 가지 가능한 원천이 있습니다. 이들은 다음을 포함합니다:

• 반사
• 그라운드 바운스
• 그라운드 오프셋
• 열 오프셋
• 트레이스 IR 강하
• 크로스토크
• 그라운드 IR 강하
• 참조 정확도
• 종단 노이즈
• 전원 공급 변동

이 논의에서 거의 모든 로직 장치가 CMOS인 경우, 노이즈의 가장 가능성 있는 원천은 반사, 크로스토크, Vdd, 그리고 그라운드 바운스 및 Vdd의 리플입니다.

신호에 과도한 리플이 생기지 않도록 하기 위해, PCB 레일은 매우 낮은 임피던스를 가져야 합니다. 결과적으로, EDA 도구를 사용하여 임피던스가 어떻게 될지 계산할 때 델타 I 대 리플을 보게 되면, 임피던스가 상대적으로 높게 나올 것이라는 답을 얻을 수 있습니다. 리플 수준은 여전히 만족스러울 것입니다. 이는 델타 I가 정말 작은 숫자일 때 발생합니다. 임피던스는 정말 높게 나오지만, 그것은 부하가 별로 없기 때문입니다. 참고: 일부 전력 레일 전자기기는 저전력이지만, 이 글에서 논의할 주제는 아닙니다.

도전 과제

PCB 전원 레일을 저 임피던스로 설계하는 도전은 전원 레일이 대부분 평면의 일부분이며 전체 평면 자체가 아닐 가능성이 높다는 것입니다. 따라서 전원 평면을 분할해야 하지만, 그렇게 하면 간격이 생깁니다. 결과적으로, 간격을 건너는 신호는 반환 전류 경로가 간격에 의해 방해받는 것처럼 보일 것입니다. 이 문제는 평면과 그 아래의 접지층 사이를 매우 저 임피던스로 설계하여 반환 전류가 그 간격을 통해 매우 저 임피던스인 그 구간을 통해 건너갈 수 있도록 함으로써 해결됩니다.

앞서 언급한 접근 방식은 많은 설계 규칙에서 할 수 없다고 말하는 평면의 간격 위에 추적 경로를 설정할 필요를 없애줍니다. 그림 1은 이러한 방식으로 설계된 간격을 건너는 신호의 측정 데이터를 보여줍니다. 파란색 추적은 그것이 라우팅된 평면의 간격을 건너는 신호입니다. 추적 중앙의 작은 상향 반사는 간격이 위치한 곳입니다. 볼 수 있듯이, 간격 위의 신호는 방해받지 않습니다. (빨간색 추적은 간격을 건너지 않는 더 짧은 추적에 있는 신호입니다).
 

이 모든 것의 기반이 되는 변하지 않는 규칙은 접지면을 절단하지 않는다는 것입니다. 접지면은 모든 것을 함께 묶는 구조물이기 때문입니다. 제품 개발자들이 접지면을 절단할 때, 그들은 상상한 문제를 해결하려고 하거나 하나의 회로를 다른 회로로부터 분리하려는 문제를 해결하려고 하는 경우가 대부분입니다. 이러한 결정 뒤에 있는 전형적이고 잘못된 이유는 아날로그와 디지털 접지를 분리하려는 것입니다. 이는 설계 엔지니어들이 부품에 아날로그와 디지털, 두 가지 다른 핀이 있는 이유를 잘못 이해할 때 발생합니다. 이 핀들은 칩으로의 경로를 제공합니다. 이러한 엔지니어들은 종종 보드의 한쪽에서 다른 쪽으로 원치 않는 간섭이 발생할까 봐 두려워하며, 결과적으로 최종 분석에서는 상상의 문제를 분리하기 위해 보드를 절단합니다.

제품 개발자가 시뮬레이션 중에 PCB의 한쪽과 다른 쪽 사이에 차이나 원치 않는 간섭이 있으며, 이것이 문제를 일으킬 만큼 중요하다는 것을 발견한 경우 이전 상황이 발생할 수 있습니다. 이러한 유형의 시나리오에 직면할 때마다, 우리는 실제 작동 하드웨어에서 측정된 데이터를 보여달라고 요청합니다. 문제를 명확하게 파악할 수 있는 것은 이러한 증거를 통해서만 가능합니다.

요약

신호의 과도한 리플을 피하기 위해, PCB 전원 레일은 저임피던스여야 합니다. 전원 레일 회로가 대부분 평면의 일부일 가능성이 높기 때문에, 전원 평면을 분할해야 합니다. 이로 인해 간격이 생기며, 이 간격이 전류의 반환 경로를 방해하는 것처럼 보일 것입니다. 이는 평면의 해당 부분을 저임피던스로 설계하여 반환 전류가 이 간격을 건너갈 수 있도록 해결됩니다.

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