PCB 블로그 - 고속 디지털 PCB 보드 신호 무결성 설계 방법

이 문서에서는 컴퓨터 신호의 무결성 분석을 기반으로 한 고속 디지털 신호 PCB 보드의 설계 방법을 소개합니다.이 설계 방법에서는 먼저 모든 고속 디지털 신호를 PCB 보드 수준의 신호 전송 모델로 만든 다음 신호 무결성에 대한 계산 및 분석을 통해 설계 솔루션 공간을 찾고 솔루션 공간을 기반으로 PCB 보드를 완성합니다.설계 및 검증

집적회로의 출력 스위치 속도가 향상되고 PCB 밀도가 증가함에 따라 신호 무결성은 고속 디지털 PCB 보드 설계에서 반드시 주목해야 할 문제 중 하나가 되었다.구성 요소와 PCB 보드의 매개변수, PCB 보드의 구성 요소의 레이아웃, 고속 신호의 케이블 연결 등은 신호 무결성 문제를 초래하여 시스템 작동이 불안정하고 심지어 전혀 작동하지 않습니다.PCB 설계 과정에서 신호 무결성 요소를 충분히 고려하고 효과적인 제어 조치를 취하는 방법은 오늘날 PCB 설계 업계에서 화제가 되고 있습니다.컴퓨터 신호 무결성 분석을 기반으로 한 고속 디지털 PCB 설계 방법은 PCB 설계의 신호 무결성을 효과적으로 구현할 수 있습니다.

1. 신호 무결성 문제 개요

신호 무결성(SI)은 신호가 회로에서 정확한 타이밍과 전압으로 응답하는 능력을 말한다.회로의 신호가 필요한 타이밍, 지속 시간 및 전압 폭으로 IC에 도달할 수 있는 경우 회로는 양호한 신호 무결성을 갖습니다.반면 신호가 제대로 응답하지 않으면 신호 무결성 문제가 발생한다.넓은 의미에서 신호 무결성 문제는 주로 지연, 반사, 인터럽트, 동시 스위치 노이즈 (SSN) 와 전자기 호환성 (EMI) 이라는 다섯 가지 측면에서 나타납니다.지연은 신호가 PCB 보드의 컨덕터에서 제한된 속도로 전송된다는 것을 의미합니다.송신기에서 수신기로 신호가 전송되며 둘 사이에 전송 지연이 있습니다.신호의 지연은 시스템의 시퀀스에 영향을 미칩니다.고속 디지털 시스템에서 전파 지연은 주로 도선의 길이와 도선 주변 매체의 매전 상수에 의해 결정된다.또한 PCB의 도선 (고속 디지털 시스템에서 전송선이라고 함) 의 특성 임피던스와 부하 임피던스가 일치하지 않을 때, 신호가 수신단에 도달하면 일부 에너지가 전송선을 따라 반사되어 신호의 파형을 왜곡시키고, 심지어 신호 과충과 하충까지 나타난다.신호가 전송선에서 왔다갔다하면 벨을 울릴 수 있다.PCB의 두 장치 또는 컨덕터 사이에는 상호 커패시터와 상호 감지가 존재하기 때문에 한 장치 또는 하나의 컨덕터의 신호가 변경되면 그 변화는 상호 커패시터와 인덕터를 통해 다른 장치 또는 다른 장치에 영향을 미칩니다.전선, 이것이 바로 교란이다.직렬 교란의 강도는 부품과 컨덕터의 기하학적 형태와 상호 거리에 따라 달라집니다.

PCB의 많은 디지털 신호가 동기식으로 전환될 때 (예를 들어 CPU의 데이터 버스, 주소 버스 등) 전원 코드와 지선의 임피던스로 인해 동기식 전환 노이즈가 발생하고 접지 평면이 지선에서 반등합니다.노이즈SSN 및 접지 반등의 강도는 또한 집적 회로의 IO 특성, PCB의 전원 계층 및 접지 계층의 임피던스, PCB의 고속 부품의 레이아웃 및 케이블링에 따라 달라집니다.또한 다른 전자 기기와 마찬가지로 PCB 보드에도 전자기 호환성 문제가 존재하는데, 이는 주로 PCB 보드의 레이아웃과 케이블 연결 방법과 관련이 있다.

2. 기존 PCB 보드 설계 방법

전통적인 설계 과정에서 PCB 보드의 설계에는 회로 설계, 레이아웃 설계, PCB 보드 생산, 측정 및 디버깅 등의 절차가 포함됩니다.회로 설계 단계에서는 실제 PCB 보드의 신호 전송 특성에 대한 효과적인 분석 방법과 수단이 부족하기 때문에 회로 설계는 일반적으로 컴포넌트 제조업체와 제안 및 이전 설계 경험에 따라서만 수행됩니다.따라서 새로운 설계 프로젝트의 경우 일반적으로 신호 토폴로지 구조 및 부품 매개변수와 같은 요소를 특정 상황에 맞게 올바르게 선택하기가 어렵습니다.PCB 배치 설계 단계에서도 PCB의 구성 요소 레이아웃과 신호 라우팅으로 인한 신호 성능 변화를 실시간으로 분석하고 평가하기 어렵기 때문에 배치 설계의 품질은 설계자의 경험에 더 많이 달려 있습니다.PCB 보드 생산 단계에서는 각 PCB 보드와 컴포넌트 제조업체의 공정이 완전히 같지 않기 때문에 PCB 보드와 어셈블리의 매개변수는 일반적으로 공차 범위가 커서 PCB 보드의 성능을 제어하기 어렵습니다.전통적인 PCB 보드 설계 과정에서 PCB 보드의 성능은 생산이 완료된 후 기기 측정을 통해서만 판단할 수 있다.PCB 보드 디버깅 단계에서 발견된 문제는 다음 PCB 보드 설계에서 수정해야 합니다.그러나 더욱 어려운 것은 이전의 회로 설계와 배치 설계에서 일부 문제는 종종 매개변수로 계량화하기 어렵다는 것이다.따라서 더 복잡한 PCB 보드의 경우 설계 요구 사항을 최종적으로 충족하기 위해 위의 절차를 여러 번 반복해야 합니다.이로부터 알수 있는바 전통적인 PCB판설계방법을 채용하면 제품개발주기가 길고 연구개발원가가 상응하게 비교적 높다.

3. 신호 무결성 분석을 기반으로 한 PCB 보드 설계 방법

신호 무결성 컴퓨터 분석을 기반으로 한 PCB 보드 설계 과정은 그림 2와 같다.전통적인 PCB 보드 설계 방법과 비교할 때, 신호 무결성 분석을 기반으로 한 설계 방법은 다음과 같은 특징을 가지고 있다: PCB 보드 설계 전에 먼저 고속 디지털 신호 전송의 신호 무결성 모델을 구축했다.SI 모델에 따라 신호 무결성 문제를 미리 분석하고 시뮬레이션 계산 결과에 따라 적합한 컴포넌트 유형, 매개변수 및 회로 토폴로지를 선택하여 회로 설계의 기초로 삼았습니다.회로 설계 과정에서 SI 모델로 설계안을 보내 신호 무결성을 분석하고 컴포넌트와 PCB 보드 매개변수의 공차 범위, PCB 보드 레이아웃 설계에서 나타날 수 있는 토폴로지 구조와 매개변수 변화 등을 종합해 설계를 계산하고 분석한다.솔루션 공간.회로 설계가 완료되면 각 고속 디지털 신호에는 연속적이고 구현 가능한 솔루션 공간이 있어야 합니다.즉, PCB 보드와 구성 요소의 매개변수가 일정한 범위 내에서 변경될 때 PCB 보드의 구성 요소의 레이아웃과 PCB 보드의 신호 케이블의 경로설정 방식은 일정한 유연성을 가지고 있어 여전히 신호의 무결성을 보장할 수 있다.요구 사항PCB 보드의 배치 설계가 시작되기 전에 얻은 각 신호 분해 공간의 경계 값은 배치 설계의 제약조건으로 사용되며 PCB 보드 배치 및 경로설정의 설계 기반으로 사용됩니다.PCB 레이아웃 설계 과정에서 일부 또는 완전히 완료된 설계는 설계 후 신호 무결성 분석을 위해 SI 모델로 보내져 실제 레이아웃 설계가 예상되는 신호 무결성 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.시뮬레이션 결과가 요구 사항을 충족하지 못할 경우 잘못된 설계로 인한 제품 고장 위험을 줄일 수 있도록 레이아웃 설계 또는 회로 설계를 수정해야 합니다.PCB 보드 설계가 완료되면 PCB 보드 생산이 가능합니다.PCB 제조 매개변수의 공차 범위는 신호 무결성 분석을 위한 솔루션 공간에 있어야 합니다.PCB 보드 제조가 완료되면 계측기를 사용하여 SI 모델과 SI 분석의 정확성을 검증하고 이를 교정 모델의 기초로 삼기 위해 측정 및 디버깅을 수행합니다.올바른 SI 모델과 분석 방법을 바탕으로 PCB 보드는 제품 개발 주기를 단축하고 개발 비용을 절감할 수 있도록 설계와 생산을 몇 번 반복해서 수정할 필요가 없거나 필요없이 최종 결정할 수 있습니다.

4. 신호 완전성 분석 모델

신호 무결성 컴퓨터 분석을 기반으로 한 PCB 보드 설계 방법 중 가장 중요한 부분은 기존 설계 방법과 다른 PCB 보드 레벨 신호 무결성 모델을 구축하는 것입니다.SI 모델의 정확성은 설계의 정확성을 결정하며 SI 모델의 구축 가능성은 설계 방법의 타당성을 결정합니다.

4.1. PCB 보드 설계의 SI 모델

이미 다양한 모델이 전자 설계에서 PCB 레벨 신호 무결성 분석에 사용될 수 있습니다.이 중 흔히 사용하는 것은 SPICE, IBIS, Verilog-A 등 세 가지다.

a. SPICE 모델

SPICE는 강력한 범용 아날로그 회로 시뮬레이터입니다.현재 SPICE 모델은 전자 설계에 널리 사용되고 있으며 HSPICE와 PSPICE, HSPICE는 주로 집적 회로 설계, PSPICE는 PCB 보드 및 시스템 레벨 설계의 두 가지 주요 버전을 파생시킵니다.SPICE 모델은 모델 방정식과 모델 매개변수의 두 부분으로 구성됩니다.모델 방정식을 제공하기 때문에 SPICE 모델과 시뮬레이터의 알고리즘은 긴밀하게 연결되어 더 나은 분석 효율성과 분석 결과를 얻을 수 있습니다.SPICE 모델을 사용하여 PCB 보드 수준에서 SI 분석을 수행하는 경우 집적회로 설계자와 제조업체는 집적회로 I/O 유닛의 하위 회로 및 반도체 특성에 대한 제조 매개변수를 설명하는 상세하고 정확한 SPICE 모델을 제공해야 합니다.이러한 재료는 일반적으로 설계자와 제조업체의 지적 재산권과 기밀성에 속하기 때문에 소수의 반도체 제조업체만이 칩 제품과 함께 해당 SPICE 모델을 제공합니다.SPICE 모델의 분석 정밀도는 주로 모델의 매개변수 (데이터의 특성) 와 모델 방정식의 적용 범위에 따라 달라집니다.다양한 디지털 시뮬레이터와 결합하면 모델 방정식도 분석의 정확성에 영향을 줄 수 있습니다.또한 SPICE 모델은 PCB 보드 수준에서 시뮬레이션 계산이 상대적으로 커서 분석에 시간이 많이 걸립니다.

b.IBIS 모델

IBIS 모델은 PCB 보드 수준과 시스템 수준의 디지털 신호 무결성 분석을 위해 인텔사가 처음 개발했다.현재 IBIS 오픈 포럼에서 관리하고 있으며 공식 산업 표준 (EIA/ANSI 656-A) 입니다.IBIS 모델은 I/V 및 V/T 테이블을 사용하여 디지털 집적 회로 I/O 유닛과 핀의 특성을 설명합니다.IBIS 모델은 I/O 유닛의 내부 설계 및 트랜지스터 제조 매개변수를 설명할 필요가 없기 때문에 반도체 제조업체의 환영과 지원을 받고 있습니다.모든 주요 디지털 집적 회로 제조업체는 이제 해당 IBIS 모델과 칩을 제공할 수 있습니다.IBIS 모델의 분석 정밀도는 주로 I/V 및 V/T 테이블의 데이터 점 수와 데이터 정도에 따라 달라집니다.IBIS 모델 기반 PCB 보드 레벨 시뮬레이션은 찾기 테이블로 계산되기 때문에 일반적으로 해당 SPICE 모델의 1/10 ~ 1/100 정도만 계산할 수 있습니다.

c.Verilog AMS 모델 및 VHDL-AMS 모델

Verilog AMS와 VHDL-AMS는 출시 4 년 미만의 새로운 표준입니다.하드웨어 동작 수준 모델링 언어인 Verilog AMS와 VHDL-AMS는 각각 Verilog와 VHDL의 슈퍼세트이고 Verilog-A는 Verilog AMS의 서브세트입니다.SPICE 및 IBIS 모델과 달리 AMS 언어에서는 사용자가 어셈블리의 동작을 설명하는 방정식을 작성합니다.IBIS 모델과 마찬가지로 AMS 모델링 언어는 다양한 유형의 시뮬레이션 도구에 사용할 수 있는 독립형 모델 형식입니다.AMS 방정식은 트랜지스터 레벨, I/O 유닛 레벨, I/O 셀 그룹 등 다양한 레벨에도 쓸 수 있습니다. Verilog AMS와 VHDL-AMS는 새로운 표준이기 때문에 지금까지 소수의 반도체 제조업체만이 AMS 모델을 제공할 수 있었고 AMS를 지원할 수 있는 시뮬레이터는 SPICE와 IBIS보다 적습니다.그러나 PCB 레벨 신호 무결성 분석에서 AMS 모델의 타당성과 계산 정밀도는 SPICE 및 IBIS 모델보다 낮지 않습니다.

4.2 모델 선택

모든 PCB 레벨 신호 무결성 분석을 완료하는 통합 모델이 없기 때문에 고속 디지털 PCB 보드의 설계에서 위의 모델을 혼합하여 핵심 신호와 센서 신호의 전송 모델을 구축 할 필요가 있습니다.분리형 패시브 부품의 경우 제조업체에서 제공하는 SPICE 모델을 찾거나 실험 측정을 통해 단순화된 SPICE 모델을 직접 만들고 사용할 수 있습니다.주요 디지털 집적 회로의 경우 제조업체에서 제공하는 IBIS 모델을 찾아야 합니다.현재 대부분의 IC 설계자와 제조업체는 웹 사이트 또는 다른 방법을 통해 필요한 IBIS 모델과 칩을 제공 할 수 있습니다.비 핵심 집적 회로의 경우 제조업체의 IBIS 모델을 얻을 수 없는 경우 칩 핀의 기능에 따라 유사하거나 기본 IBIS 모델을 선택할 수도 있습니다.물론 단순화된 IBIS 모델도 실험 측정을 통해 만들 수 있다.PCB 보드의 전송선의 경우 전송선의 단순화 SPICE 모델을 신호 무결성에 대한 사전 분석 및 솔루션 공간 분석에 사용할 수 있으며, 경로설정 후 분석에서는 실제 레이아웃에 따라 완전한 전송선 SPICE 모델을 사용하도록 설계해야 합니다.

5. 기존 EDA 소프트웨어에 설계 접근 방식 결합

현재 PCB 보드 설계 업계에는 상술한 설계 방법을 완성하기 위해 통합된 EDA 소프트웨어가 없기 때문에 일부 범용 소프트웨어 도구의 조합을 통해 실현해야 한다.PSPICE, HSPICE 등과 같은 범용 SPICE 소프트웨어를 사용하여 PCB의 분리, 패시브 부품 및 전송선에 SPICE 모델을 만들고 디버깅 및 검증합니다.SPECCTRAQuest, HyperLynx, Tau, IS_Analyzer 등의 일반 신호 무결성 분석 소프트웨어에 획득한 각 부품 및 전송선의 SPICE/IBIS 모델을 추가하여 PCB 보드에 신호의 SI 분석 모델을 만들고 신호 무결성에 대한 분석 및 계산을 수행합니다.SI 분석 소프트웨어의 데이터베이스 기능을 사용하거나 다른 일반 데이터베이스 소프트웨어를 사용하여 이상적인 솔루션 공간을 찾기 위해 시뮬레이션 작업의 결과를 더 구성하고 분석합니다.OrCAD, Protel, PADS, PowerPCB, Allegro 및 Mentor와 같은 범용 PCB 설계 EDA 소프트웨어를 사용하여 솔루션 공간의 경계 값을 PCB 회로 설계의 기초 및 레이아웃 설계의 구속으로 삼아 PCB 회로 설계 및 레이아웃 설계를 완료합니다.PCB 보드의 다이어그램 설계가 완료되면 위의 다이어그램 설계 소프트웨어를 통해 토폴로지, 길이, 간격 등과 같은 실제 설계 회로의 매개변수를 자동 또는 수동으로 추출하여 이전 신호 무결성 분석 소프트웨어로 전송하여 다이어그램을 구성할 수 있습니다.SI 분석을 통해 실제 설계가 솔루션 공간 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.PCB 보드를 제조할 때 실험 기기의 측정을 통해 각 모델과 시뮬레이션 계산의 정확성을 검증할 수도 있다.

이 설계방법은 고속디지털PCB판의 설계와 개발에 비교적 강한 현실적의의를 갖고있어 제품설계성능을 효과적으로 제고할수 있을뿐만아니라 제품개발주기를 크게 단축하고 개발원가를 낮출수 있다.신호 무결성 분석 모델과 계산 분석 알고리즘이 지속적으로 개선되고 보완됨에 따라 신호 무결성 컴퓨터 분석을 기반으로 한 PCB 보드 설계 방법이 전자 제품 설계에 점점 더 많이 적용될 것으로 예상된다.