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전원 전류와 다중 혼성 IC

이겨서는 전원 전류와 우리가 배운 것을 어떻게 다중 혼성 IC를 가지 회로에 적용할 지를 생각한다.

전원은 무엇인가?
"신호 경로 크로스톡 최소화를 위한 디자인" 편에서, 예제 레이아웃에서 그라운드 컷을 제거 하기로 결정했다. 왜냐하면 컷을 가로지르기를 원하는 신호 리턴 전류가 없기 때문이었다. 그러나, 우리는 전원 연결을 고려해야만 한다. 만약 아날로그와 디지털 전원 둘 다 정확히 같은 공급 장치에서 온 것이라면, 소스와 그것의 리턴은 컷의 한 쪽 면 혹은 다른 쪽 면에만 있어야 한다(아래 그림).

이 경우 컷의 다른 쪽으로부터 온 모든 DC 리턴 전류(상당한 전류가 바이패스 커패시터가 아니라 공급 장치에서 올 정도로 충분히 낮은 주파수)는 전원 리턴 연결로 직접 가기 보다는 좁은 그라운드 브리지를 통해서 집중되어야만 한다. 이것은 그 경로를 길어지게 만든다. 레지스턴스를 커지게 만든다. 따라서 전압 강하가 커진다. 이 레이아웃은 ADC의 핀이 신호 전류를 싱크하는 리턴 그라운드 전류에 대해서 문제가 없다. 왜냐하면  이 전류는  브리지에서 둘 다 있는 그라운드 핀으로부터 리턴 되기 때문이다. 그러나, 다른 부품에 있는 그라운드 핀에서 나오는 전류는 간접적인 라우트를 취해야만 한다. 아래 그림은 이런 전류를 묘사한다.

컷 제거하기

컷을 제거 하면, DC 리턴 전류는 더 낮은 저항과 적은 전압 강하로 더 직접적으로 흐를 수 있다. 아래 그림은 컷이 제거된 같은 그라운드 전류를 보여준다.

같은 생각이 다중 레일이 있는 상황으로 확장 될 수 있다. 단일 레일에서 했던 것처럼 단지 리턴 전류가 흐를 곳을 생각하고 다중 레일을 고려해야 한다.

다중 혼성 IC의 그라운딩 도전

이 논의는 "신호 경로 크로스톡 최소화를 위한 디자인" 편에서 단일 IC의 회로 다이어그램으로 되돌아 가서 시작한다. 거기서 모든 트래이스는 적절한 편에서 라우트 된다. 컷은 그것을 가로지르길 원하는 전류가 없기 때문에 어던 목적도 수행하지 않는다. 컷 그라운드 판의 문제는 아날로그와 디지털 그라운드 둘 다를 요구하는 IC가 하나 이상인 디자인을 고려할 때 더 분명해 진다. 위에서 논의된 것과 같은 ADC 2개를 가지고 있다고 가정하자. 아래 그림은 이 구성을 보여주고 원하는 단일 점 그라운드를 얻기가 어떻게 불가능한지 보여준다.

이 상황에 대한 즉각적인 반응은 ADC 중 하나를 180도로 돌리는 것이다. 따라서 2개를 단일 점 그라운드로 합치는 것이다. 그러나, 그것은 한 IC의 북쪽에 디지털 부분을 남쪽에 아날로그 부분을 놓게 된다. 결과는 혼돈이다. 각 다른 방향으로 다량의 아날로그와 디지털이 섞인다. 심지어 이것이 작동한다 해도, 아날로그와 디지털 둘 다 가진 3개 이상의 칩에 대해서는 문제를 풀 수 없다. 다행히, 단일 혼성 IC에 대해서 다룬 전 1, 2 편에서 논의된 동일 그라운딩 원칙을 적용할 수 있다. 우리는 거기에 컷이 있다고 상상할 수 있다. 또는 가상으로 도전 받는 것처럼 임시로 컷을 삽입할 수 있다. 그런 다음 부품을 배치하고 컷을 가로지르지 않도록 라우트 한다. 또한 ADC1의 아날로그 신호를 ADC2의 아날로그 신호 그라운드 경로 공유로부터 떼어놓을 필요가 있다. 이것은 우리가 자연스럽게 각 ADC 회로의 부품을 이웃 보다는 해당 ADC에 가깝게 배치하므로 서 쉽게 달성할 수 있다. 이것은 아래 그림 처럼 보인다. 신호 전류가 빨간 색 선으로 보이고 AC 리턴 전류가 오랜지 색 선이다.

단일 혼성 IC의 예처럼, 어떤 전류도 컷을 가로지르길 원치 않는다. 따라서 컷은 제거될 수 있다. 같은 생각이 더 복잡한 상황으로 확장될 수 있다. 일반적으로, 어떤 신호에 대해서 전류가 어디로 흐를 것인가 그리고 그것이 같은 금속을 통해 흐르는 다른 전류에 의해서 어떻게 간섭되거나 방해 받을 것인가를 생각하는 것은 좋은 아이디어 있다. 이것은 대부분의 어플리케이션에서 충분하다.

때로는 컷이 유용할 수 있다

커넥터의 원하는 위치 같은 다양한 기구적 제약이 전류의 흐름을 - 특히 저주파나 DC 전류에서 - 보호를 원하는 회로로부터 격리 시키는 것을 어렵게 만드는 상황이 있다. 이런 경우 우리는 그라운드 판에 컷을 분별 있게 배치하는 것에 의존해야만 할 수 있다. 이런 복잡함을 피하기 위한 희망이 프로젝트 초기에 PCB 부품의 배치를 따라서 커넥터의 물리적 배치를 고려하고 라우팅 하는 좋은 동기이다. 디자인 착수 시에 레이아웃을 고려해서 커넥터가 배치되면, 최종 레이아웃을 훨씬 쉽고 깨끗하고, 무엇보다도 성공적으로 만들 수 있다. 심지어 기구적 배치와 신호 흐름 사이에서 상호작용을 조심스럽게 고려할 때도, 외부 요구 사항이 어떤 전류를 그것이 흐르지 않았으면 하는 곳에서 격리시키는 것을 어렵게 만드는 곳에 인터페이스를 놓게 하는 상항이 쉽게 발생할 수 있다. 아래 그림은 시스템 요구사항 때문에 특정 위치에 디지털, 아날로그, 그리고 파워 인터페이스를 갖는 보드를 보여준다. 민감한 아날로그 회로로부터 인접하지만 노이즈한 디지털 컨텐츠를 분리해서 잘 배치했다. 위에 언급된 대로, 아날로그와 디지털 둘 다 가진 칩은 현명하게 경계 영역에 배치한다.

파워 레귤레이터 배치를 잘해서 아날로그와 디지털에 대한 고주파 그라운드 리턴이 경로를 공유하지 않을 것이다. 그러나, DC와 저주파 전원 전류는 최저 저항 경로 즉 직선으로 좌하단에 있는 전원 공급 그라운드로 모두 돌아올 것이라는 것을 기억한다. 결과적으로 디지털 구역의 오른쪽 아래 영역에서 나온 큰 DC 혹은 저주파 전류가 민감한 아날로그 회로를 지나서 직선으로 달릴 것이다. 아날로그와 디지털 회로 영역 사이에 보드 오른쪽 가장자리 까지 확장하는 수평 컷을 배치함으로써 이것을 해결할 수 있다. 그러나, 컷을 가로질러 디지털과 아날로그 사이에 인터페이스 신호를 달리게 하고 싶지는 않다. 컷 둘레로 이 트래이스들을 라우팅하는 것은 길고, 매우 비실용적이다. 특히 그것들이 많거나 빠르다면 더욱 그렇다. 다른 아이디어는 아날로그 회로와 아날로그 레귤레이터 사이에 수직 컷을 배치해서 디지털 전원 리턴 전류가 아날로그 회로로부터 멀리 흐르게 하는 것이다. 이것은 또한 아날로그 전원이 컷 둘레로 라우트 될 것을 요구한다. 아래 그림은 이것을 어떻게 만들어지는 지 보여 준다.

디지털 회로에서 전원 공급 그라운드로 최소 저항 경로는 이제 더 이상 직선이 아니다. 대신에, 컷 위로 경로가 지나간다. 따라서 아날로그 회로를 바이패싱 한다. 이 배치는 적절할 것이다. 그러나 보이는 것처럼 몇 개의 아날로그 공급 레일이 있다면 다루기 어려울 수 있다. 어떤 경우에 아날로그 레귤레이터 자체가 아날로그 회로의 바른 동작을 위해 저 노이즈가 필요할 정도로 민감하다. 아래 그림은 다른 배치를 보여준다. 컨셉은 아날로그 레귤레이터가 아날로그 회로와 같은 컷 쪽에 있다는 것을 빼면 위 그림과 같다.

때로는 아날로그 회로를 위해 노이즈한 스위칭 레귤레이터 뒤에서 필터링 하고 저 노이즈 선형 레귤레이터를 사용한다. 유사한 생각이 노이즈한 스위칭 레귤레이터가 놓이는 곳을 결정하는 데 채용된다. 항상 전류가 흐르는 곳을 고려한다.

보드 레벨 디자이너가 증가적으로 만나게 되는 다른 상황은 고주파 신호에 대한 신호 충실도(SI) 이다. 주파수가 GHz 범위로 높아지면서, 서로 가깝게 그리고 평행해서 달리는 트래이스 간에 크로스톡을 발견한다. 이것은 일을 더 복잡하게 한다. 앞 서 배웠듯이, 1 MHz 신호에 대한 아캄볼트 박사의 시뮬레이션에서 보이듯이 그라운드 판 위의 단일 트래이스의 간단한 경우에, 리턴 전류는 신호 트래이스 바로 아래만 포함된 것이 아니라 더 넓다. 어떻게 가까운 평행 트래이스가 그들의 리턴 전류를 혼합하는지 아는 것은 쉽다. 주파수가 높아질수록 그리고 트래이스가 파장에 상당한 퍼센티지가 될수록, 신호는 서로 더 방해하기 쉽다.

결론 - 전류가 흐르는 곳에 주의 하라

혼성 신호 PCB 디자인과 관련된 많은 문제는 다음의 간단한 조언을 따름으로써 피할 수 있다: 전류가 흐르는 곳을 주의 하라. 대부분의 경우에 우리가 해야 할 모든 것은 2 가지 기본 원칙을 기억하는 것이다: DC와 저주파 전류는 소스와 부하 사이에서 가장 작은 저항 경로인 직선으로 대부분 흐른다;  그리고 고주파 신호는 가장 작은 임피던스 경로를 따른다. 그곳은 신호 트래이스 바로 아래이다. 이 주파수 사이에서 두 경로를 그리고 두 경로 사이를 흐른다. 다른 회로 사이에서 상호 작용을 막기 위해서 컷을 사용하는 아이디어는 부품을 현명하게 배치하고 간섭이 발생하지 않도록 트래이스를 라우트하는 한 대부분 불필요하다. 부품이 배치될 곳을 선택할 자유가 항상 있는 것이 아니기 때문에 때로는 그라운드 판 컷이 필요하다. 모든 전류 흐름을 고려하면서 컷을 현명하게 배치하라. 또한 어떤 레이어에서든 신호가 컷을 가로지르지 않도록 하는 것을 기억해야만 한다. 성가시지만, 전자가 흐르고 싶어하는 곳을 추적하라. 그러면 일이 훨씬 쉬워질 것이다. 마지막으로, 당신의 그라운드를 절대 믿지 마라.

원문: Successful PCB grounding with mixed-signal chips - Part.3: Power currents and multiple mixed-signal ICs. Mark Forunato - Sep. 17, 2012