PCBInside

DRAM 이라든지 AP 칩 같은 고속 디지털 칩을 사용할 경우 동작 주파수가 최소 수백MHz 이상이기 때문에 임피던스 제어된 PCB를 사용해야만 한다. 그러나 제어 용도로 많이 사용되는 MCU칩(마이컴 이라 많이 부름)은 동작 주파수가 아직도 수십MHz 이하인 경우가 많으며 원가 절감을 위해 2층 혹은 4층 보드로 만드는 경우가 많다. 이런 경우 PCB의 임피던스는 제작자에 의해서 제어되지 않는다. 임피던스가 제어되지 않아도 자체 동작에 문제가 없는 경우가 대부분이기 때문에 회로 설계자들이나 시스템 설계자들도 별로 신경을 쓰지 않는다. 그러나 EMI 문제를 예방하고 최선을 이루기 위해서 디자이너는 최대한 임피던스가 작아지도록 디자인을 해야 한다.

여기서는 2층 보드에 중심을 둔다.

사전 이해

노이즈 소스:

노이즈의 가장 큰 원인은 MCU 자체이다. MCU의 모든 핀은 잠재적으로 문제를 갖고 있다. 가장 큰 문제는 IO 핀에서 나오는 노이즈이다. 이 핀과 연결된 트래이스(trace)로 커버되는 영역은 큰 안테나를 형성한다. 두 번째 중요한 노이즈 기여 자는 파워 공급 시스템이다. 이것은 스위칭에 요구되는 전류를 공급한다. 세 번째 노이즈 소스는 오실레이터 회로이다.

부품 특성:

SMD 부품은 인덕턴스를 줄이고 더 가까운 부품 배치가 가능하다. 이것은 2층 보드 디자인에서 매우 중요하다. 리드 커패시터는 대략 80MHz에서 자가 공진을 한다. 따라서 특수한 경우가 아니면 SMD 부품을 사용해야 한다.

사용하지 않는 핀:

임피던스가 높을수록 MCU에서 노이즈가 많이 나오기 때문에 가능하면 사용하지 않는 입력은 가장 낮은 임피던스 레일 인 그라운드에 직접 연결한다.

전류 루프:

MCU에서 나가는 모든 에지 전이는 전류 펄스이다. 펄스는 루프를 진행하여 원래 발사된 곳으로 돌아온다. 루프는 어디에나 있다. 어떤 노이즈 전압은 그 전류가 진행한 경로와 관련이 있다. 항상 제일 낮은 임피던스로 돌아온다. 이것은 매우 강력한 개념으로 리턴 경로의 임피던스와 모양을 제어해서 노이즈 전파를 완화할 수 있다. 아래는 루프 예이다.

 안테나:

루프와 다이폴은 안테나이다. 그들의 방사 효율은 관심 있는 주파수의 1/4 파장까지 증가한다. 루프의 경우, 더 큰 레이아웃 면적에서 더 강한 방사가 루프의 하나 혹은 양 다리가 1/4 파장이 될 때까지 나온다. 다이폴에서는 안테나가 더 길수록 안테나의 길이가 파장의 1/4이 될 대까지 더 방사된다. 1MHz에서 1/4파장 = 75m 이지만, 300MHZ에서 1/4파장 = 25cm이다.

보드 레이아웃

그라운드와 파워:

PCB의 파워 라우팅을 통해서 흐르는 유일한 non-dc 전류는 바이패서 커패시터를 채우는데 필요한 전류이다. 입력 클럭 에지에서 스위치 하는 MCU 내부의 고주파 전류는 파워 서플라이가 아니라 바이패스 커패시터에서 공급되어야만 한다.

파워 라우팅에서 인덕턴스는 전압 강하를 만들어서 퍼져 나간다. 따라서 가능한 한 인덕턴스를 줄여야 한다.

• 파워와 그라운드에서 IC와 전압 소스 사이의 어떤 트래이스에서 길이 대 넓이 비가 3:1을 초과하지 않아야 한다.
• 파워와 그라운드는 서로 바로 겹쳐서 진행되어야 한다(루프 최소화로 임피던스 최소화).
• 불필요한 공통 임피던스 연결이 생기지 않도록 조심하면서 파워와 그라운드를 그리드(grid)로 만든다.
• 신호 트래이스 아래 직접적으로 리턴을 라우팅 한다(그리딩이 공간 효과 적이다).
• MCU 아래에 솔리드 한 그라운드를 만들고 그곳에서 바이패싱 하고 오실레이터 루프를 묶는다.

OSC와 페라이트 비드의 루프 영역이 최소화 되어 있다.

2층 보드에서 각 트레이스에 그라운드 리턴을 제공하는 것은 매우 어렵다. 이런 이유로 4층 보드에서 그라운드 판을 사용한다. 2층 보드에서 그라운드 판을 갖는 것과 최대한 유사한 것이 그라운드 그리딩(gridding)이다. 여기서 최고의 관심은 신호 트레이스에서 방사이다. 이 문제를 다루는 최고의 효과적인 방법은 신호 트래이스 아래 리턴을 제공해 루프를 줄이는 것이다. 그래서 그리딩이 중요하다.

디지털 그라운드와 파워는 RF 에너지를 운반한다. 따라서 아날로그나 하이 파워 같은 다른 파워와 그라운드나 관련 없는 트래이스에서 고립되는 것이 최선이다. 만약 MCU나 다른 회로에서 노이즈가 고립된 그라운드로 유입되면 그것은 작은 RF 커패시터(대략 470-1000pF)의 조심스런 배치로 리턴 될 수 있다.

4층 보드 가이드라인:

• 판에서 홀과 컷-아웃(혹은 슬릿)이 어떻게 만들어지는지 최대한 주의를 기울인다. 그것들이 판을 깨서 루프 면적을 증가시킬 수 있다. 아래 그림 A(poor)와 B(better)를 비교해 본다. A는 그라운드 판을 2개의 부분으로 자른다. B는 가장자리로 돌아간다. 가장 좋은 것은 그라운드 판에 트래이스를 사용하지 않는 것이다.
• 판에 리드 열이 있을 때 하나의 긴 슬롯을 갖는 것보다 각각의 홀을 갖는 것이 훨씬 좋다. 아래 그림에서 C(poor)는 그라운드 슬롯 안테나를 형성한다. C보다 D(better)가 좋다.
• 모든 신호는 디지털 그라운드 위에 배치되도록 한다.

파워 분배(Distribution)

다 점(multi-points) 그라운드 시스템은 공통 임피던스 잠재성이 있으므로 단일 점(single-point) 그라운드 시스템이 좋지만 실제로 그것을 구현하는 것은 불가능하다. 따라서 RF 신호 생성 장치에 대한 단일 점과 다른 그 밖의 것에 대한 다 점 방식을 조합 할 수 있다. 가능한 가장 좋은 방법은 레귤레이터 그라운드, MCU 그라운드, 배터리 그라운드와 새시 혹은 쉴드에 대해 단일 점을 갖는 것이다.

다 점 방식이 제일 나쁘고 단일 점 방식이 제일 좋다. 단일 점 방식에 대한 대안으로 스타 방식을 사용할 수 있다. 스타 방식은 보드의 중앙 근처에서 분배되는 방식으로 분배되는 길이를 갖게 한다.

그리딩(gridding)

2층 보드에서 그리딩은 가장 결정적인 디자인 테크닉이다. 그것은 그라운드 판과 유사한 효과를 만들어 4층 기판처럼 노이즈를 줄인다. 아래 그림은 그리딩의 예 이다. PCB의 top면에서 대부분의 트래이스는 수직으로 달리고, bottom면에서 대부분의 트래이스는 수평으로 달린다. 리턴이 직접 신호 아래 달리도록 한다.

• 2층 보드에서 가능한 한 많이 그리드를 만든다.
• 물리적으로 고정할 수 있는 쓰루 홀을 가능한 한 많이 사용한다.
• 라인이 반드시 수직일 필요도 없고 같은 굵기일 필요도 없다.

아래 그림에서, A와 B는 2층 보드의 top면과 bottom면을 각각 나타낸다. +V 트래이스와 모든 인터커넥트는 삭제되어 오직 그라운드 필(fill)과 그라운드 트래이스(trace), 그리고 비아(via)만 남겨 놓은 것이다. 그림 C는 그라운드 라우팅의 스틱 다이어그램이다. 각 스틱은 그라운드 도체의 경로를 나타낸다. 경로는 도체 폭이 최소로 줄어들었을 때이다. 점선은 top면을 나타내고 실선은 bottom면을 나타낸다. 다이어그램을 보면 많은 트래이스가 한 쪽 끝만 연결을 갖고 있다. 그림 D는 한쪽 끝만 연결된 트래이스를 제거한 것이다. 결과는 전체 보드에서 어떻게 그라운드가 라우트 되었는지 보여주는데, 성성한 것을 볼 수 있다. W, X, Y, Z 지점을 제외하고 어떤 두 지점 간의 라우팅은 하나만의 경로를 갖는다.

그림 E, F, G, H에서, 그리드 그라운드를 달성하기 위해 디자인이 아주 살짝 변경되었다. 그림 E와 F에서 굵은 검정으로 보이는 약간의 트래이스가 추가 되었고 약간의 지오메트리가 화살표 방향으로 이동되어 원하는 그리드를 만들고 있다. 이것의 스틱 다이어그램이 G에 보인다. 하나의 끝만 있는 트래이스가 더 이상 없다. 양 쪽을 모두 연결해서 더 완벽한 도체를 형성한다. 그림 H는 D와 대조되는 그리드의 밀도를 보여준다. 목적은 그리드 그라운드를 만들어서 실제 그라운드 판과 유사한 효과를 갖는 것이다.

바이패싱(bypassing)과 페라이트

MCU에서 +V와 그라운드 사이의 바이패싱은 매우 중요하다. 너무 높은 인덕턴스 때문에 바이패싱 루프에서 가용한 전류가 부족하면 파워 서플라이에서 가장 낮은 임피던스 경로를 통해 전류가 공급되어 한다. 파워 라우팅의 분산된 커패시턴스가 고주파 노이즈원이 된다. 따라서 페라이트 비드로 RF 소스 전류를 막는다.

• 페라이트 비드와 바이패스 커패시터(10~100nF)를 사용한다
• 페라이트 비드는 +V에만 사용하고 그라운드에는 사용하지 않는다.
• 길이 대 폭 3:1 규칙을 바이패싱 루프의 트래이스에 적용한다.
• 바이패싱 루프는 가능한 한 작게 한다.

출력 핀:

• 모든 출력 핀에 50~100Ω 직렬 저항을 사용한다. 입력 핀에는 35~50Ω 직렬 저항을 사용한다. 저항은 가능한 한 MCU 가까이 배치한다.
• 신호 전이 시간이 100ns보다 느려도 되는 경우, 어떤 핀이든 1nF 커패시터를 사용해서 그라운드로 바이패스 시킨다.

필터링:

다음은 필터링 우선 순위이다.

• 인클로저를 떠나는 신호
• 인클로저 안에서 다른 PCB로 떠나는 PCB 신호
• 하이 임피던스 부하를 가진 신호

첫 프로토타입이 만들어진 후에 각 필터링 부품을 제거해서 원하는 EMI를 만족해서 필요 없는 것을 식별한다.

보드 플로어 플래닝:

• MCU나 고속 로직을 파워 서플라이에 가까이 배치하고 느린 부품은 멀리 배치한다.
• 그리드 또는 그라운드 판을 만든다(단일 점 그라운드가 되도록).
• 오실레이터 루프는 아날로그 회로나 커넥터에서 멀리 한다.
• 최종 조립 후에 오실레이터 위에 케이블 어셈블리가 놓이지 않게 한다.

신호 트래이스

• RF 노이즈 운송 트래이스는 다른 신호에서 멀리 한다.
• 노이즈에 희생될 신호는 아래에 리턴 신호를 만든다.
• 노이즈한 신호(오실레이터, 릴레이,…)를 보드 외각을 따라 달리게 하지 않는다.
• 노이즈한 신호들을 가능하면 묶어서 그라운드 트래이스로 감싼다.

터미네이션:

트래이스의 길이가 파장의 1/10보다 커질 때 중요해진다. 소비자용 2층 보드에서 쉴드 되지 않은 어플리케이션에서는 1/50 파장도 결정적일 수 있다. 즉 10cm보다 긴 트래이스는 FM 밴드 노이즈 문제가 있을 수 있다. 이 경우 터미네이션이 권장 된다.

여러 터미네이션이 있지만 비용(전력,수량,지연)을 고려하여 직렬 터미네이션을 사용한다.

• 30cm 이상의 신호 트래이스
• 인클로져를 떠나는 신호
• 링잉이 나타날 때

케이블과 커넥터:

커먼 모드 노이즈르 줄이기 위해서 전체 케이블 주변에 페라이트를 배치한다. 디퍼런셜 노이즈를 줄이기 위해서 신호와 리턴 쌍을 꼰다.

케이블 길이가 2m를 넘으면 크로스톡이 문제이고 15cm정도로 짧아도 문제가 될 수 있다.

컴퓨터 산업 분야에서 매 9개 신호당 1개의 그라운드를 케이블이나 하니스에 사용하는 것이 일반적이다.

• 가장 좋은 것은 트위스트 페어처럼 각 신호 케이블 당 하나의 그라운드 리턴을 제공하는 것이다.
• 9:1을 절대 넘지는 마라.
• 케이블이 30cm를 넘으면 신호 4개당 1개의 그라운드를 사용해야만 한다.
• 두 보드 사이에 가능하다면 솔리드 메탈 브라켓이 있게 해서 견고한 RF 그라운드 리턴을 만든다.

큰 그라운드 영역을 가진 PCB는 인클로저 쉴드에 묶는다.

케이블의 노이즈나 ESD 주입이 PCB의 케이블에 있는 바이패스 커패시터(1nF 이하)를 통해서 새시로 흐르도록 한다.

민감성(Susceptibility)

Susceptibility(민감성, 유럽에서는 immunity라 부름)는 신호 트래이스로 전자기장이 커플 되어 주입되는 것이다. Susceptibility의 물리는 emission(방사)과 같다. 단지 반대로 적용되는 것이다. 큰 루프 면적은 더 많은 신호를 픽업한다. 방사를 줄이기 위해서 사용하는 규칙을 똑같이 적용한다. 가장 민감한 문제는 오실레이터 핀, 크리스탈, 크리스탈 바이패스, 바애피스 커패시터 그라운드 연결과 MCU 그라운드 사이의 경로 등과 관련 있다.

그라운드 바운스도 조심한다.

쉴딩

공기를 진행 중인 전기장이 금속 표면을 칠 때, 금속은 관통하는 필드 크기를 감소시킨다.  금속은 필드가 금속 표면 가까이서 흐르는 전류로 만든다. 매우 작은(기하 급수적으로 감소)양의 필드만 통과한다. 인클로저를 사용하면 쉴드 효과를 사용하지만, 쉴딩 효과에 의존하기 보다는 박스 안에서 노이즈를 줄이는 것이 항상 더 좋다.

쉴드는 ESD 히트, 분위기 필드, 내부 필드, 노이즈 등을 새시로 빼내는 일을 한다. 따라서, 쉴드는 RF 전류 소스와 그라운드 레퍼런스 점(단일 점) 사이에서 최소의 단절과 임피던스를 가진 RF 도전 판으로 생각될 수 있다.

PCB는 IO 바이패싱 커패시터에 대해 그라운드로 작용하는 인크로저 쉴드에 묶인 큰 분리된 그라운드 영역을 갖고 있어야 한다(아래 그림). 이 커패시터(1nF 이하)는 시스템 노이즈의 최종 필터링을 제공하지만 반대로 박스 밖 케이블에서 노이즈를 픽업할 수도 있다. 새시 연결에서 3:1 길이 대 폭 규칙이 역시 요구된다.

쉴딩 물질에서 가늘고 긴 틈은 슬롯 안테나를 형성한다. 이 슬롯은 매우 효과적인 방사자(radiator)이다. 슬롯 크기는 10cm를 넘지 않게 한다. 환기가 필요하면 단지 작은 원형 홀을 사용한다.

요약

작은 EMI를 만드는 시스템 디자인은 미스터리 한 것이 아니고 잘 알려진 엔지니어링 테크닉의 응용이 필요한 것이다. 디자인의 시작은 전자기 방사가 작은 부품을 고르는 것에서 시작한다(허용 동작 범위 내에서 느린 제품). 주요 업무는 전자기 에너지를 방사할 수 있는 안테나가 없는 PCB를 디자인하는 것이다. 큰 신호 루프와 해당 그라운드 리턴 라인은 피해야 할 고주파 신호를 운송할 수 있다. 따라서 조심스런 IC의 배치는 짧은 인터커넥션 라인을 만드는데 매우 중요하다. 다음으로 촘촘한 그라운드 그리드를 배치한다. 이것은 리턴 라인을 신호 라인 근처에 있게 해서 유효 안테나를 작게 유지하게 한다. 마지막으로 공급 라인 같은 결정적인 라인들에 필터링을 한다. 이런 규칙들을 적용함으로써 시스템 쉴딩이 필요하지 않을 수 있다.

원문: PCB Design Guidelines For Reduced EMI, Nov. 1999, Texas Instruments