PCB 뉴스 - 전자기 호환 기술 기반 케이블 연결 설계

전자기 호환 기술을 기반으로 한 다층 회로기판 배선 PCB 설계 방법 전자기 호환 (Electro-Magnetic compatibility, 약칭 EMC) 은 전자기 간섭과 항간섭 문제를 주로 연구하는 신흥 종합 학과이다.전자기 호환성이란 전자 설비나 시스템이 규정된 전자기 환경 수준에서 전자기 방해로 인해 성능 지표를 낮추지 않는 것을 말하며, 그 발생하는 전자기 복사는 한정된 극한 수준보다 크지 않으며, 다른 시스템의 정상적인 운행에 영향을 주지 않는다.그리고 설비와 설비, 시스템과 시스템이 서로 간섭하지 않고 신뢰할 수 있는 협동 작업의 목적을 달성한다.전자기 간섭(EMI)은 전자기 간섭원이 결합 경로를 통해 민감한 시스템으로 에너지를 전송하면서 발생한다.그것은 세 가지 기본 형식을 포함한다: 도선과 공공 지선의 전도, 그리고 공간 복사 또는 근거리 결합을 통한 전도.설사 회로원리도를 정확하게 설계하고 인쇄회로기판을 잘못 설계한다 하더라도 전자설비의 신뢰성에 불리한 영향을 미치게 된다는것을 실증하였다.따라서 인쇄회로기판의 전자기 호환성을 확보하는 것이 전체 시스템 설계의 관건이다.이 글은 주로 전자기 호환 기술과 다층 인쇄회로기판 (printed circuit board, 약칭 PCB) 설계에서의 응용을 논술하였다.글은 선전 훙리제 전자에서 인용했다!

PCB 보드는 전자 제품에서 회로 부품과 부품을 지탱하는 것이다.회로 부품과 장비 간의 전기 연결을 제공하며 다양한 전자 장치에서 가장 기본적인 부품입니다.오늘날 대규모적이고 매우 대규모의 집적회로는 이미 전자설비에 널리 응용되고있으며 부속품의 인쇄회로판에 설치밀도가 갈수록 높아지고 신호전송속도가 갈수록 빨라지고있다.EMC 의 문제점은 갈수록 부각되고 있습니다.PCB에는 단일 패널 (단일 레이어 보드), 이중 패널 (이중 레이어 보드) 및 다중 레이어 보드가 있습니다.단일 보드와 이중 보드는 일반적으로 중저밀도 및 저집적 회로에 사용되며 다중 보드는 고밀도 및 고집적 회로를 사용합니다.전자기 호환성의 관점에서 볼 때, 단면 및 이중 패널은 고속 회로에 적합하지 않습니다.단면 및 양면 경로설정은 고성능 회로의 요구 사항을 충족하지 못합니다.다층 배선 회로의 발전은 상술한 문제를 해결할 가능성을 제공했다.응용이 갈수록 광범위해지다.

1 다중 레이어 경로설정의 특징

PCB는 다층 구조의 유기 및 무기 개전 재료로 구성되어 있다.레이어 간의 연결은 구멍을 통해 이루어집니다.구멍은 레이어 간의 전기 신호 전도를 위해 금속 재료로 도금되거나 채워집니다.다중 레이어 경로설정이 널리 사용되는 이유는 다음과 같습니다.

(1) 다중 레이어 보드 내부에는 전용 전원 레이어와 접지 레이어가 있습니다.전력 계층은 노이즈 루프로 사용되어 간섭을 줄일 수 있습니다.또한 전력 계층은 시스템의 모든 신호에 공통 임피던스 결합 간섭을 제거하기 위한 루프를 제공합니다.전원 코드의 임피던스를 줄여 공용 임피던스 간섭을 줄입니다.

(2) 다층판은 특수한 접지층을 사용하고 모든 신호선에 전용 접지선이 있다.신호선의 특징: 임피던스가 안정적이고 일치하기 쉬우며 반사로 인한 파형 왜곡을 감소시킵니다.이와 동시에 특수접지층의 사용은 신호선과 접지선 사이의 분포용량을 증가시켜 직렬교란을 감소시켰다.

2 인쇄회로기판의 층압 설계

2.1 PCB 케이블 연결 규칙

다층 회로기판의 전자기 호환성 분석은 전자기 감응의 키르호프 법칙과 패러데이 법칙에 기초할 수 있다.키르호프의 법칙에 따르면 소스에서 부하에 이르는 모든 시간대 신호에는 최소 임피던스 경로가 있어야 합니다.

다중 레이어 PCB는 일반적으로 고속, 고성능 시스템에서 사용되며, 이 중 다중 레이어는 DC(직류) 전원 공급 장치 또는 접지 참조 평면에서 사용됩니다.이러한 평면은 일반적으로 전원 공급 장치나 접지를 위해 충분한 레이어가 있으므로 동일한 레이어에 다른 직류 전압을 적용할 필요가 없는 분할되지 않은 솔리드 평면입니다.레이어는 인접한 전송선의 신호에 대한 전류 반환 경로로 사용됩니다.저임피던스 전류 반환 경로를 구축하는 것이 이러한 평면 계층의 가장 중요한 EMC 목표입니다.

신호층은 물리적 참조 평면층 사이에 분포되어 있으며 대칭 밴드선과 비대칭 밴드선이 될 수 있습니다.12 레이어의 경우 다중 레이어의 구조와 레이아웃을 설명합니다.계층 구조는 T-P-S-P-S-S-S-P-B이고 "T"는 최상위 계층이며 "P"는 참조 평면 계층이고 "S"는 신호 계층입니다."B" 는 최하층이다.맨 위층에서 맨 아래층은 1층, 2층, 12층이다.어셈블리로 사용되는 최상위 및 하위 용접 디스크신호는 흔적선으로부터의 직접적인 복사를 줄이기 위해 최상층과 하층 사이에서 너무 오래 전송되어서는 안 된다.호환되지 않는 신호선은 서로 격리되어야 한다.이렇게 하는 목적은 서로 간의 결합 방해를 피하는 것이다.고주파 및 저주파, 큰 전류 및 작은 전류, 디지털 및 아날로그 신호선은 호환되지 않습니다.어셈블리 레이아웃에서 호환되지 않는 어셈블리는 인쇄판의 다른 위치에 배치되어야 합니다.신호선의 배치는 여전히 필요하다.조심해서 격리시켜.다음 세 가지 문제를 고려하여 설계해야 합니다.

(1) 서로 다른 DC 전압에 사용되는 여러 전원 영역을 포함하는 참조 평면 레이어를 결정합니다.11층에 여러 개의 직류 전압이 있다고 가정하면, 이는 설계자가 고속 신호를 가능한 한 10층과 하층에서 멀리 떨어져야 한다는 것을 의미한다. 왜냐하면 반환 전류는 10층 이상의 참조 평면을 흐를 수 없고 콘덴서를 조립해야 하기 때문이다.레이어 5, 7, 9는 고속 신호에 사용되는 신호 레이어입니다.중요한 신호의 흔적선은 가능한 한 한 한 방향에 배치하여 층에 가능한 흔적선 통로의 수량을 최적화해야 한다.서로 다른 층에 분포된 신호 흔적선은 서로 수직이어야 하며, 이는 선 사이의 전장과 자기장의 결합 방해를 줄일 수 있다.3층과 7층은'동서'방향으로, 5층과 9층은'남북'방향으로 각각 설치할 수 있다.천의 레이어는 천이 목적지에 도달하는 방향에 따라 달라집니다.

(2) 고속 신호 라우팅 동안의 레이어 변화와 독립적인 라우팅에 사용되는 다른 레이어를 사용하여 참조 평면에서 새로운 참조 평면으로 반환 전류가 필요에 따라 흐르도록 합니다.이는 신호 루프 면적을 줄이고 루프의 차형 전류 복사와 공모형 전류 복사를 줄이기 위한 것이다.회로 복사는 전류의 강도와 회로 면적에 정비례한다.사실, 가장 좋은 설계는 참조 평면을 변경하기 위해 전류를 반환하지 않고 참조 평면의 한쪽에서 다른 쪽으로 간단히 변경합니다.예를 들어, 신호 레이어의 조합은 신호 레이어 쌍으로 사용될 수 있습니다. 레이어 3과 레이어 5, 레이어 5와 레이어 7, 레이어 7과 레이어 9는 동서 방향과 남북 방향의 경로설정 조합을 허용합니다.그러나 레이어 3과 레이어 9의 조합을 사용해서는 안 된다. 왜냐하면 이것은 전류가 레이어 4에서 레이어 8로 되돌아가야 하기 때문이다.디커플링 커패시터는 오버홀 근처에 놓을 수 있지만 고주파에서는 지시선과 오버홀 감지의 존재로 인해 커패시터가 무용지물이다.그리고 이런 배선은 신호회로의 면적을 증가시켜 전류복사를 줄이는데 불리하다.

(3) 평면 도면층을 참조하는 DC 전압을 선택합니다.이 예에서는 프로세서 내부의 신호 처리 속도가 매우 높기 때문에 전원 / 접지 참조 핀에 많은 소음이 있습니다.따라서 디커플링 콘덴서를 사용하여 프로세서에 동일한 직류 전압을 제공하고 가능한 한 디커플링 콘덴서를 효과적으로 사용하는 것이 중요합니다.이러한 부품의 감전감을 줄이는 가장 좋은 방법은 가능한 한 짧고 넓은 흔적선을 연결하고 구멍을 가능한 한 짧고 두껍게 하는 것이다.

만약 두 번째 층이"접지"로 분배되고 네 번째 층이 프로세서의 전원으로 분배된다면 오버홀은 프로세서와 디커플링 콘덴서가 배치된 최상층에서 가능한 한 짧아야 한다.보드 하단까지 확장된 남은 공간에는 중요한 전류가 포함되지 않으며 짧은 거리에도 안테나 효과가 없습니다.표 1에는 계층형 설계 레이아웃에 대한 참조 구성이 나열되어 있습니다.

2.2 20-H 규칙 및 3-W 규칙

다중 레이어 PCB 보드의 전자기 호환성 설계에서 다중 레이어 패널의 전원 레이어와 가장자리 사이의 거리를 식별하고 인쇄 테이프 사이의 거리를 해결하는 데는 20-H 규칙과 3-W 규칙이라는 두 가지 기본 원칙이 있습니다.

20-H 원리: 자기 통량 간의 연결로 인해 무선 주파수 전류는 일반적으로 전력 평면의 가장자리에 존재합니다.이런 층간 결합을 가장자리 효과라고 한다.고속 디지털 로직과 클럭 신호를 사용하면 전력 평면이 상호 작용합니다.그림 1과 같이 결합 무선 주파수 전류.이러한 영향을 줄이기 위해 전원 평면의 물리적 크기는 최소 20H 미만이어야 합니다 (H는 전원 평면과 지면 사이의 거리).전원 공급 장치의 에지 효과는 일반적으로 10H, 20H 정도에서 발생합니다. 마그네틱의 약 10% 가 차단되면 마그네틱의 98% 에 도달하려면 그림 1과 같이 100% 경계 값이 필요합니다.20-H 규칙은 전원 평면과 가장 가까운 지면 사이의 물리적 거리를 결정합니다.이 거리에는 구리 두께, 미리 채우기 및 절연 분리층이 포함됩니다.20-H를 사용하면 PCB 자체의 공명 주파수를 높일 수 있습니다.3-W 규칙: 두 인쇄 회선 사이의 거리가 매우 길면 두 회선 사이에 전자기 교란이 발생하여 관련 회로에 고장이 발생한다.이러한 간섭을 방지하기 위해 플롯된 선가중치의 3배, 즉 3W(W는 플롯된 선가중치) 이상의 행 간격을 유지합니다.인쇄 회선의 너비는 회선 임피던스의 요구에 따라 달라집니다.너무 넓으면 경로설정 밀도에 영향을 주고 너무 좁으면 단자로 전송되는 신호의 무결성과 강도에 영향을 줍니다.클럭 회로, 차동 쌍 및 I/O 포트의 경로설정은 모두 3-W 원리의 기본 응용 대상이다.3-W 원리는 직렬 교란 에너지가 70% 감쇠하는 전자기 통량선의 경계만 나타낸다.에너지 감쇠 감쇠의 98% 를 교란하는 전자기 통량 경계선과 같은 요구 사항이 더 높은 경우 10W 간격을 사용해야 합니다.

2.3 접지선의 배치

첫째, 분산 매개변수의 개념을 설정해야 합니다.주파수가 어느 주파수보다 높을 때, 모든 금속선은 반드시 저항과 전감으로 구성된 부품으로 간주되어야 한다.따라서 접지 지시선은 일정한 저항을 가지고 전기 회로를 구성한다.단일 접지든 다중 접지든 진정한 접지나 랙에 진입하려면 임피던스 회로가 낮게 형성되어야 합니다.길이가 25mm인 일반 인쇄선은 약 15-20nH의 감전감을 표시합니다.분포 용량의 존재를 더하면 마룻바닥과 설비 선반 사이에 공명 회로가 형성될 것이다.둘째, 접지 전류가 지선을 통과할 때 전송선 효과와 안테나 효과가 발생한다.선로의 길이가 1/4파장일 때, 그것은 높은 임피던스를 나타내며, 접지선은 사실상 하나의 개로이며, 접지선은 외부로 방사되는 안테나로 변한다.마지막으로 마룻바닥은 고주파 전류와 교란으로 형성된 와류로 가득 차 있다.그래서 접점 사이에 많은 회로가 형성되었다.이러한 회로의 지름 (또는 접지점 간 거리) 은 최고 주파수 파장의 1 / 20보다 작아야 합니다.적합한 설비를 선택하는 것은 설계 성공의 중요한 요소이다.특히 논리 부품을 선택할 때 상승시간이 5ns보다 큰 논리 부품을 최대한 선택한다.회로 요구사항보다 시퀀스가 빠른 논리 장치를 선택하지 마십시오.

2.4 전원 코드 배치

다중 레이어 보드의 경우 전원 레이어 접지층 구조는 전원을 공급하는 데 사용됩니다.이 구조의 특성 임피던스는 궤도 쌍의 특성 임피던스보다 훨씬 작으며 궤도 쌍은 1보다 작을 수 있습니다.이런 구조는 일정한 용량을 가지고 있어 모든 집적칩 옆에 고주파 디커플링 콘덴서를 추가할 필요가 없다.레이어 콘덴서의 용량이 부족하더라도 외부 디커플링 콘덴서가 필요할 때 통합 칩 옆에 추가하지 말고 인쇄판 어디에나 추가할 수 있습니다.내장형 칩의 전원 공급 장치 핀과 접지 핀은 금속화 구멍을 통해 전원 및 접지층에 직접 연결할 수 있으므로 전원 루프가 항상 가장 작습니다."전류는 항상 최소 임피던스의 경로를 간다"는 원리 때문에, 지상의 고주파 회류는 항상 궤도에 접근하여 운행하며, 장애물이 지면을 막지 않는 한 신호 회로는 항상 가장 작다.이를 통해 알 수 있듯이 탄도 전원에 비해 출력층 지층 구조는 배치가 간단하고 유연하며 전자기 호환성이 좋은 장점을 가지고 있다.