PCB 공진과 풍선 효과

 스펙트럼 상의 어떤 하모닉 성분을 없애려고 했더니 다른 하모닉 성분이 커지는 것을 경험해 본적이 있나? 그런 것을 풍선 효과라고 부른다. 풍선의 한쪽을 누르게 되면 다른 쪽이 커지게 되는 것에서 따온 용어이다. 한쪽을 눌렀더니 다른 쪽의 하모닉이 증가하는 것은 주로 PCB 자체의 공진에 기인한다. 다음은 Mike Fanet 이란 사람이 실험한 내용이다.

 그는 이더넷을 가지고 있는 임베디드 ARM 프로세서 보드의 방사(emission)를 줄여 달라는 고객의 요구를 받아 실험을 하였다. 계측기로 관측한 결과 25 MHz의 강력한 하모닉(harmonics)이 PHY 회로에서 나오는 것을 발견하였다. 보통 저렴한(low-cost) 보드들에서 흔히 발견 된다. 이 오리지날 하모닉은 150 MHz에서 peak를 이루었다. 아래 그림을 참조하자.

 위 공진을 제거하고자 기존 PHY 근처에 있던 100 nF 커패시터(capacitor)를 2.2 uF 커패시터로 교체하였다. 그 결과 아래와 같은 파형을 었었다.

 150 MHz 근처의 peak 는 없어졌는데 고주파 영역에서 더 큰 하모닉들이 발생하였다. 이것이 전형적인 풍선 효과 이다. 만약에 측정 장비의 수평 window 범위를 작게 하고 측정을 하였다면(예들 들어 1000 이 아니고 500), 문제가 해결된 것처럼 보였을 것이다. 따라서 규격화 된 모든 범위까지 확인해 볼 필요가 있다.

 바이패스(bypass) 커패시터 교체했다는 것은 PCB의 공진 특성을 바꾸었다는 것과 같은 것이다. 바이패스에서 중요한 것 2 가지는 다음과 같다.

1. 바이패스 커패시터의 위치 - 일반적인 보드의 파워와 그라운드 샌드위치 구조에서 판(plane) 사이의 거리는 0.2~0.25 mm 정도이다. 여기서 바이패스 커패시터는 노이즈를 유발하는 모든 IC의 전원핀 근처에 가능하면 가깝게 배치를 해야 한다. 그러나 파워와 그라운드 판 사이의 거리가 0.1 mm  정도 되면 커패시터의 위치는 덜 중요해 질 수도 있다. 왜냐하면 판 사이의 built-in 고주파 커패시터가 특성이 더 좋기 때문이다.

2. PCB 공진 - 보드 공진은 판 커패시터(대략적으로 보드의 디멘전과 관련 있다), 바이패스 커패시터 어레이, 벌크 커패시터와 관련이 있다. PCBA의 다양한 공진 모드를 VNA(Vector Network Analyzer)로 측정할 수 있다.

 일반적으로 보드 공진은 바이패스 커패시터를 알맞은 장소에 추가하므로써 바꿀 수 있다. "lossy"한 커패시터를 사용하므로써 공진을 완화할 수 있다. 길고 얇은(가로 대 세로 비가 큰) 보드일수록 정사각형에 가까운 보드보다 더 공진을 많이 한다.

 위의 설명은 하나의 예로서, 방사의 원인(소스)을 무력화하는 것 외에 명확한 답은 없다. 이 보드에서 25 MHz 하모닉은 분명히 이더넷의 PHY 회로에서 발생한다. 의심이 되는 것은 하나 이상의 이더넷 회로의 파워나 신호 트래이스가 신호 리턴 판의 갭 위로 지나가거나 한 레퍼런스에서 다른 레퍼런스 판으로 분명히 정의된 리턴 경로 없이 점핑한 경우일 것이다.

EDN, The EMC Blog의 Kenneth Wyatt 블로그에서 발췌 번역 - 김선환