PCB 뉴스 - PCB 레이아웃의 경로설정에 대한 3가지 오해

레이아웃은 PCB 설계 엔지니어의 가장 기본적인 작업 기술 중 하나입니다.경로설정의 품질은 전체 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.대부분의 고속 설계 이론은 Layout을 통해 최종적으로 구현되고 검증되어야 합니다.따라서 고속 PCB 설계에서 케이블 연결이 매우 중요합니다.다음은 실제 경로설정에서 발생할 수 있는 몇 가지 상황의 합리성을 분석하고 더욱 최적화된 경로설정 전략을 제시한다.주로 직각 배선, 차분포선, 뱀형 배선 세 가지 측면에서 논술한다.

1. 직각 경로설정

직각 경로설정은 일반적으로 PCB 경로설정에서 가능한 한 피해야 하는 경우가 많으며 경로설정의 품질을 측정하는 거의 기준 중 하나입니다.그러면 직각 경로설정이 신호 전송에 미치는 영향은 어느 정도입니까?원칙적으로 직각 경로설정은 전송선의 선가중치를 변경하여 임피던스가 연속되지 않습니다.실제로 직각 경로설정뿐만 아니라 모서리 및 예각 경로설정도 임피던스 변화를 일으킬 수 있습니다.직각 배선이 신호에 미치는 영향은 주로 세 가지 방면에서 나타난다: 첫째, 회전각은 전송선의 용량성 부하에 해당할 수 있어 상승 시간을 늦춘다;다른 하나는 임피던스가 연속되지 않으면 신호 반사를 일으킬 수 있다는 것입니다.세 번째는 직각 첨단이 EMI를 생성하는 것이다.

전송선의 직각으로 인한 기생용량은 다음과 같은 경험 공식을 통해 계산할 수 있다.

C=61W（Er）1/2/Z0

위의 공식에서 C는 각의 등가 커패시터 (단위: pF), W는 흔적선의 너비 (단위: 인치), Isla µr는 매체의 매전 상수, Z0은 전송선의 특성 임피던스이다.예를 들어, 4Mils 50 옴의 전송선 (Isla µr 는 4.3) 의 경우 직각에 따른 용량은 약 0.0101pF이며 이로 인한 상승 시간 변화를 추정할 수 있습니다.

T10-90%=2.2*C*Z0/2=2.2*0.0101*50/2=0.556ps

계산을 통해 직각 궤적이 가져오는 커패시터 효과가 극히 적다는 것을 알 수 있다.

직각 흔적선의 선폭이 증가함에 따라 그곳의 저항이 낮아지기 때문에 일정한 신호 반사 현상이 나타날 수 있다.전송선 장에 언급된 임피던스 계산 공식에 따라 선가중치 증가에 따른 동등한 임피던스를 계산한 다음 경험 공식에 따라 반사 계수를 계산할 수 있습니다: Í=(Zs-Z0)/(Zs+Z0).일반적으로 직각 경로설정으로 인한 임피던스 변화는 7~20% 사이이므로 최대 반사 계수는 약 0.1입니다.또한 다음 그림에서 볼 수 있듯이 전송선의 임피던스는 W/2 선의 길이 내에서 최소값으로 변경된 다음 W/2 시간 후에 정상 임피던스로 돌아갑니다.전체 임피던스 변경 시간은 일반적으로 10ps 이내로 매우 짧습니다.내부적으로, 이러한 빠르고 작은 변화는 일반적인 신호 전송에 있어서 거의 무시할 수 있다.

많은 사람들이 직각 경로설정에 대해 이러한 이해를 가지고 있습니다.그들은 첨단이 전자파를 발사하거나 수신하고 EMI를 생성하기 쉽다고 생각한다.이것은 많은 사람들이 직각 경로설정을 사용할 수 없다고 생각하는 이유 중 하나입니다.그러나 많은 실제 테스트 결과는 직각 흔적선이 직선보다 뚜렷한 EMI를 생성하지 않는다는 것을 보여줍니다.아마도 현재의 기기 성능과 테스트 수준이 테스트의 정확성을 제한할 수 있지만, 적어도 그것은 하나의 문제를 설명한다.직각 배선의 복사는 이미 계기 자체의 측정 오차보다 작다.

일반적으로 직각 경로설정은 생각보다 무섭지 않습니다.적어도 GHz 미만의 애플리케이션에서는 용량, 반사, EMI 등 어떤 영향도 TDR 테스트에 반영되기 어렵다.고속 PCB 설계 엔지니어는 여전히 레이아웃, 전원/접지 설계 및 케이블 연결 설계에 집중해야 합니다.오버홀 및 기타 영역.물론 직각 경로설정의 영향은 심각하지 않지만 앞으로 직각 경로설정을 사용할 수 있는 것은 아닙니다.세부 사항을 중시하는 것은 모든 우수한 엔지니어가 반드시 갖추어야 할 기본 자질이다.또한 디지털 회로가 빠르게 발전함에 따라 PCB 엔지니어가 신호를 처리하는 빈도가 계속 높아질 것입니다.10GHz 이상의 무선 주파수 설계 분야에서 이러한 작은 직각은 고속 문제의 초점이 될 수 있습니다.

2. 차등 라우팅

차등신호(DifferentialSignal)는 고속회로 설계에서 점점 더 광범위하게 응용되고 있다.회로에서 가장 중요한 신호는 일반적으로 차동 구조로 설계됩니다.무엇이 그렇게 인기가 많습니까?PCB 설계에서 우수한 성능을 보장하려면 어떻게 해야 합니까?이 두 가지 문제가 있으면, 우리는 다음 부분의 토론에 들어간다.차동 신호란 무엇입니까?문외한의 말을 빌리자면, 구동단은 두 개의 동일하고 반상적인 신호를 보내고, 수신단은 두 전압 사이의 차이를 비교하여 논리적 상태"0"또는"1"을 판단한다.차분 신호를 탑재한 한 쌍의 흔적선을 차분 흔적선이라고 한다.

일반 단일 신호 흔적선에 비해 차분 신호는 다음과 같은 세 가지 측면에서 가장 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다.

a. 방해에 강하다. 왜냐하면 두 차분 흔적선 사이의 결합이 매우 좋기 때문이다.외부로부터의 소음교란이 있을 때 그들은 거의 동시에 두 선로에 결합되며 수신단은 두 신호간의 차이에만 관심을 돌린다.따라서 외부 공통 모드 노이즈를 완전히 제거할 수 있습니다.

b. EMI를 효과적으로 억제할 수 있다.같은 이유로 두 신호의 극성이 상반되기 때문에 그들이 방사하는 전자장은 서로 상쇄할 수 있다.결합이 긴밀할수록 외부 세계로 방출되는 전자기 에너지는 줄어든다.

c. 정시 위치가 정확하다.차분 신호의 스위치 변화는 두 신호의 교차점에 있기 때문에 일반적인 단일 신호와 달리 고역치 전압과 저역치 전압에 의존하여 결정되기 때문에 공정과 온도의 영향을 비교적 적게 받기 때문에 시차상의 오차를 줄일 수 있다.,그러나 저폭 신호 회로에도 더 적합하다.현재 유행하는 LVDS(저전압 차분 신호)는 이런 소폭 차분 신호 기술을 말한다.

PCB 엔지니어의 경우 분산 케이블의 이러한 이점을 실제 경로설정에서 최대한 활용할 수 있도록 보장하는 방법에 관심이 있습니다.아마도 Layout을 접해 본 사람들은 차 분포선의 일반적인 요구, 즉"등장 등거리"를 이해할 것이다.같은 길이는 두 차분 신호가 항상 반대 극성을 유지하고 공통 모델 분량을 줄이기 위한 것입니다.등거리는 주로 양자의 미분 임피던스가 일치하도록 보장하고 반사를 줄이기 위한 것이다."가능한 한 가까이" 는 때때로 차동 연결의 요구 사항 중 하나입니다.그러나 이 모든 규칙은 기계적으로 적용되는 것이 아니며, 많은 엔지니어들은 여전히 고속 차동 신호 전송의 본질을 이해하지 못하는 것 같습니다.다음은 PCB 보드 차분 신호 설계에서 흔히 볼 수 있는 몇 가지 오류를 중점적으로 소개한다.

오해 1: 사람들은 차분 신호가 지평면을 귀환 경로로 사용하지 않거나 차분 흔적선이 서로에게 귀환 경로를 제공할 필요가 없다고 생각한다.이러한 오해의 원인은 그들이 표면적인 현상에 현혹되거나 고속 신호 전송의 메커니즘이 깊지 않기 때문이다.그림 1-8-15의 수신단 구조에서 볼 수 있듯이, 트랜지스터 Q3와 Q4의 발사극 전류는 같으며 반대로 지상의 전류는 마침 서로 상쇄되기 때문에 (I1 = 0) 차분 회로는 유사한 반등을 가지고 있으며, 전원과 접지 평면에 존재할 수 있는 다른 소음 신호는 민감하지 않다.지면의 부분 반환 제거는 차동 회로가 신호 반환 경로로 참조 평면을 사용하지 않는다는 것을 의미하지는 않습니다.사실, 신호 반환 분석에서 차분포선과 일반 단일 경로설정의 메커니즘은 동일합니다. 즉, 고주파 신호는 항상 전기 감각이 가장 적은 루프를 따라 회류합니다.가장 큰 차이점은 대지적 결합 외에도 차선들이 서로 결합한다는 것입니다.어떤 결합이 강한지가 주요 반환 경로가 될 것이다.그림1-8-16은 단일 신호와 차분 신호의 지자기장 분포 설명도이다.

PCB 회로 설계에서 차분 흔적선 사이의 결합은 일반적으로 매우 작으며, 일반적으로 결합도의 10~20% 만 차지하며, 더 많은 것은 대지에 대한 결합이기 때문에 차분 궤적의 주요 반환 경로는 여전히 접지 평면에 존재한다.접지 평면이 연속되지 않으면 차동 흔적선 사이의 결합은 그림 1-8-17과 같이 참조 평면이 없는 영역에 주 반환 경로를 제공합니다.참조 평면의 불연속성이 차동 흔적선에 미치는 영향은 일반 단일 흔적선만큼 심각하지 않지만 여전히 차동 신호의 품질을 낮추고 EMI를 증가시킬 수 있으므로 가능한 한 피해야합니다.일부 설계자들은 차분 흔적 오프라인의 참조 평면을 제거하여 차분 전송 중의 일부 공통 모드 신호를 억제할 수 있다고 생각한다.그러나 이런 방법은 이론적으로 바람직하지 않다.임피던스는 어떻게 제어합니까?공통 모드 신호에 접지 임피던스 회로를 제공하지 않으면 EMI 방사선이 불가피하게 발생합니다.이런 방법은 폐단이 이익보다 크다.

오해 2: 사람들은 회선 길이와 일치하는 것보다 동일한 간격을 유지하는 것이 더 중요하다고 생각합니다.실제 PCB 레이아웃에서는 차등 설계의 요구 사항을 동시에 충족할 수 없는 경우가 많습니다.핀 분포, 오버홀 및 경로설정 공간의 존재로 인해 적절한 권선을 통해 회선 길이 일치를 달성해야 하지만 차등 쌍의 일부 영역은 평행이 아니어야 합니다.이럴 때 우리는 어떻게 해야 합니까?어떤 선택입니까?결론에 도달하기 전에 다음 시뮬레이션 결과를 살펴보겠습니다.

이상의 시뮬레이션 결과를 보면 시나리오 1과 시나리오 2의 파형이 거의 일치한다는 것을 알 수 있다. 즉, 같지 않은 간격으로 인한 영향이 가장 적다는 것이다.이에 비해 선로의 길이가 맞지 않는 것은 시퀀스에 미치는 영향이 훨씬 크다.(시나리오 3).이론적 분석에 의하면 간격이 일치하지 않으면 차분 임피던스에 변화가 생기지만 차분대 간의 결합 자체가 현저하지 않기 때문에 임피던스 변화 범위도 매우 작고 보통 10% 이내로 한 번만 통과하는 것과 같다. 빈틈으로 인한 반사는 신호 전송에 현저한 영향을 미치지 않는다.일단 선로의 길이가 일치하지 않으면 정시 오프셋을 제외하고 공모분량이 차분신호에 도입되는데 이는 신호의 질을 낮추고 EMI를 증가시킨다.

PCB 차분 흔적선의 설계에서 가장 중요한 규칙은 일치선의 길이라고 할 수 있다.기타 규칙은 설계 요구 사항 및 실제 적용에 따라 유연하게 처리됩니다.

오해 3: 사람들은 차속기의 연결이 반드시 가깝다고 생각한다.차분적선의 접근을 유지하는것은 그들의 결합을 증강하기 위해서이다. 이는 소음에 대한 면역력을 높일수 있을뿐만아니라 자기장의 상반극성을 충분히 리용하여 외계에 대한 전자기교란을 상쇄할수 있다.이 방법은 대부분의 경우 매우 유용하지만 절대적인 것은 아닙니다.외부 간섭을 완전히 차단할 수 있다면 강한 결합을 사용하여 간섭에 저항할 필요가 없습니다.그리고 EMI를 억제하는 목적.우리는 어떻게 차분 흔적선의 양호한 격리와 차단을 확보합니까?다른 신호 흔적선과의 간격을 늘리는 것은 가장 기본적인 방법 중의 하나이다.전자장의 에너지는 거리의 제곱에 따라 감소한다.일반적으로 행 간격이 선 너비의 4배를 초과하면 간섭이 매우 미약합니다.무시할 수 있습니다.이밖에 접지평면의 격리도 아주 좋은 차페역할을 할수 있다.이 구조는 고주파(10G 이상) IC 패키징 PCB 설계에 자주 사용된다.CPW 구조로 불리며 엄격한 차분 임피던스를 보장합니다.그림 1-8-19와 같이 제어(2Z0).

차동 흔적 선은 다른 신호 계층에서도 작동 할 수 있지만 일반적으로 다른 계층에서 발생하는 임피던스와 오버홀 차이로 인해 차동 모드 전송의 효과가 손상되고 공통 모드 노이즈가 도입되기 때문에 이러한 방법을 사용하는 것이 권장되지 않습니다.또한 인접한 두 층이 긴밀하게 결합되지 않으면 차분 흔적선의 소음 저항 능력이 떨어지지만 주변 흔적선과 적당한 거리를 유지할 수 있다면 교란은 문제가 되지 않는다.EMI는 일반 주파수 (기가헤르츠보다 낮음) 에서 심각한 문제가 되지 않을 것이다.실험에 따르면 차분적선으로부터 500밀이의 거리에서 복사에네르기의 감쇠는 3메터의 거리에서 60dB에 달했는데 이는 FCC 전자기복사표준을 만족시키기에 충분하므로 설계자는 차분선로의 결합부족으로 인한 전자기호환성을 지나치게 걱정할 필요가 없다.

3. 뱀모양

파이톤은 배치에 자주 사용되는 경로설정 방법입니다.시스템 타이밍 설계 요구 사항에 맞게 지연을 조정하는 것이 주요 목적입니다.설계자는 먼저 뱀선로가 신호의 질을 파괴하고 전송지연을 개변시키며 배선할 때 그것을 사용하지 않도록 해야 한다는 리해를 가져야 한다.그러나 실제 설계에서는 신호가 충분한 유지 시간을 갖도록 하거나 같은 신호 그룹 간의 시간 오프셋을 줄이기 위해 의도적으로 컨덕터를 감아야 하는 경우가 많습니다.그렇다면 파이톤 회선은 신호 전송에 어떤 영향을 미칩니까?연결할 때 무엇을 주의해야 합니까?가장 중요한 두 매개변수는 그림 1-8-21과 같이 평행 결합 길이 (Lp) 와 결합 거리 (S) 입니다.분명히 신호가 파이톤 궤적에서 전송되면 평행 선 세그먼트는 차등 모드로 결합됩니다.S가 작을수록, Lp가 클수록 결합도가 커집니다.이로 인해 전송 지연이 줄어들고 간섭으로 인해 신호 품질이 크게 저하될 수 있습니다.이 메커니즘은 3장에서 공통 모드와 차형 간섭에 대한 분석을 참고할 수 있다.다음은 파이톤 라인을 처리하는 레이아웃 엔지니어의 몇 가지 권장 사항입니다.

1. 평행선 구간의 거리를 최대한 늘린다(S). 적어도 3H보다 크다. H는 신호 흔적선에서 참고 평면까지의 거리를 말한다.문외한으로 말하면 큰 모퉁이를 도는 것이다.S가 충분히 크면 상호 결합 효과를 거의 피할 수 있습니다.

결합 길이 Lp를 줄이면 이중 Lp 지연이 신호 상승 시간에 가깝거나 초과 될 때 발생하는 직렬 교란이 포화 상태에 도달합니다.

3.밴드 또는 내장형 마이크로밴드의 파이톤 라인으로 인한 신호 전송 지연은 마이크로밴드보다 작습니다.이론적으로 밴드선은 차형 간섭으로 인해 전송 속도에 영향을 주지 않는다.

4.고속 신호선과 정시 요구가 엄격한 신호선에 대하여, 가능한 한 뱀 모양의 선로를 사용하지 마라, 특히 작은 범위 내에서.

5.당신은 그림 1-8-20의 C 구조와 같은 어떤 각도의 뱀 모양 궤적을 자주 사용할 수 있습니다.이 궤적은 상호 결합을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

6.고속 PCB 설계에서 파이톤 라인은 소위 필터나 간섭 방지 능력이 없어 신호 품질만 낮출 수 있기 때문에 시계열 일치에만 사용되며 다른 용도는 없습니다.

7. 스파이럴 경로설정을 고려하여 감는 경우가 있습니다.시뮬레이션 결과 일반적인 파이톤 라우팅보다 라우팅 효과가 우수합니다.