PCB 기술 - EMI/EMC 설계 워크숍: 인쇄 회로 기판의 이미지 평면 (아래)

이미지 평면은 인쇄회로기판(PCB) 내부에 있는 한 층의 구리 도체(또는 기타 도체)입니다.전압 평면이거나 회로 또는 신호 라우팅 레이어에 인접한 0V 참조 평면일 수 있습니다.20세기 90년대에 이미지 평면의 개념이 널리 사용되었고 지금은 업계 표준의 전문 명사이다.이 문서에서는 이미지 평면의 정의, 원리 및 설계를 설명합니다.

이미지 평면의 디자인

그림 4는 PCB의 이미지 평면으로 공용 부분 감전감을 가지고 있다.이 그림에서 신호 흔적선의 대부분의 RF 전류는 신호 흔적선 바로 아래에 위치한 접지 평면으로 돌아갑니다.이 반환 이미지 구조에서 RF 반환 전류는 제한된 임피던스 (전감) 를 만나게 됩니다.이 반환 전류는 "전압 그라데이션 (사율)" (경로당 길이의 전압 변화율) 을 생성하며 "접지 노이즈 전압"이라고도 합니다.접지 소음 전압은 일부 신호 전류가 접지 평면의 이산 콘덴서를 통과하게 할 것이다.

일반적인 공통 모드 전류는 차형 전류 Idm의 1/10n 배입니다 (n은 10 미만의 양의 정수).그러나 공통 모드 전류 (I1 및 Icm) 는 차형 전류 (및) 보다 더 많은 방사선을 생성합니다.이것은 공통 모드 무선 주파수 전류장은 더하고 차형 전류장은 서로 줄이기 때문이다.

"지역 소음 전압"을 낮추기 위해서는 흔적선과 최근 이미지 평면 사이의 공공 감지 값을 늘려야 한다.이렇게 하면 이미지 전류를 다시 전류 소스에 매핑하기 위해 반환 전류에 대한 향상된 경로가 제공됩니다.접지 소음 전압 Vgnd의 계산 공식은 다음과 같습니다.

Vgnd=Lg dI2/dt Mgs dI1/dt

그림 4와 위의 공식의 기호 의미는 다음과 같습니다.

Ls = 신호 흔적선 자체의 전기 감각의 일부.

Msg = 신호 흔적선과 접지 평면 사이의 공통 부분 감지.

Lg = 접지평면 자체의 전기 감각의 일부분.

Mgs = 접지평면과 신호 흔적선 사이의 공공부분 감지.

Cstray = 접지 평면의 분산 커패시터입니다.

Vgnd = 접지 평면 소음 전압.

그림 4에서 If를 낮추려면 접지 소음 전압을 낮춰야 합니다.가장 좋은 방법은 신호 흔적선과 지평면 사이의 거리를 줄이는 것이다.대부분의 경우 신호 평면과 이미지 평면 사이의 거리가 값보다 작을 수 없기 때문에 지면 소음의 감소는 제한적입니다.이 값보다 낮으면 보드의 고정 임피던스와 기능이 보장되지 않습니다.또한 무선 주파수 전류에 추가 경로를 제공하여 접지 소음 전압을 낮출 수 있습니다.이 추가 회로에는 여러 접지선이 포함됩니다.

그림 4: PCB의 접지 평면

안정된 평면은 공통 모드 복사를 생성합니다.공공부분의 전감은 복사무선주파수전류의 발생을 감소시킬수 있기에 공공부분의 전감도 차모전류와 공모전류에 영향을 준다.이미지 평면을 사용하면 이러한 전류를 크게 줄일 수 있습니다.이론적으로, 차형 전류는 0이어야 하지만, 실제로는 100% 제거할 수 없으며, 나머지 차형 전류는 공모형 전류로 전환될 것이다.이런 공통 모드 전류는 전자기 간섭의 주요 원천이다.반환 경로의 남은 RF 전류가 신호 경로의 주 전류(I1)와 더해져 심각한 신호 간섭을 초래하기 때문이다.공통 모드 전류를 줄이기 위해, 우리는 흔적선 평면과 이미지 평면 사이의 공통 부분의 감지 값을 최대치로 증가시켜 자기 통량을 포획함으로써 불필요한 무선 주파수 에너지를 제거해야합니다.차형 전압과 전류는 동일 모드 전류를 생성합니다.공용 감지값을 늘리는 것 외에도 차형 전류를 줄이는 방법은 반드시 흔적선 평면과 이미지 평면 사이의 거리를 최소화해야 한다.

PCB에서는 RF 반환 평면이나 경로가 있을 때 반환 경로가 참조 소스에 연결되어 있으면 최적의 성능을 얻을 수 있습니다.TTL 및 CMOS의 경우 칩의 전원 및 접지 핀이 참조 소스, 전원 및 접지에 연결됩니다.RF 반환 경로가 칩의 전원 및 접지 핀에 연결된 경우에만 실제 이미지 평면이 존재합니다.일반적으로 칩에는 PCB의 접지 평면에 연결된 접지 회로가 있으므로 좋은 이미지 평면이 생성됩니다.이미지 평면을 삭제하면 이력선과 지면 사이에 가상 이미지 평면이 생성됩니다.흔적선 사이의 거리가 매우 작기 때문에 복사 에너지가 감소하기 때문에 RF 이미지가 오프셋됩니다.이상적인 이미지 평면은 무한해야 하며 균열, 균열 또는 컷이 없어야 합니다.

접지 및 신호 회로

회로는 무선 주파수 에너지 전파의 가장 중요한 매체이기 때문에 접지 또는 신호 회로 제어 (회로 제어) 는 PCB에서 전자기 간섭을 억제하는 가장 중요한 설계 고려 요소 중 하나이다.고속 논리 소자와 발진기는 가능한 한 접지 회로에 접근하여 루프가 형성되지 않도록 해야 한다;이 회로에는 와류가 있을 수 있는데, 이때 섀시나 섀시가 접지된다.와류는 변화하는 자기장에 의해 발생하며 일반적으로 기생한다.그림 5는 PC의 어댑터 카드 슬롯과 단일 접지로 이루어진 회로를 보여줍니다.이 그림에서는 루프 영역으로 되돌아가는 추가 신호가 있습니다.각 루프는 서로 다른 전자기장과 스펙트럼을 생성합니다.무선 주파수 전류는 특정 주파수의 전자기 복사장을 생성하며, 그 복사 에너지의 크기는 루프의 면적과 관련이 있다.이때 무선 주파수 전류가 다른 회로로 결합하는 것을 방지하기 위해 보안 셸을 사용해야 합니다.또는 외부 환경에 방사되어 전자기 간섭을 일으킨다.그러나 내부 회로에서 RF 루프 전류가 발생하는 것은 가능한 한 피하는 것이 좋습니다.

그림 5: PCB의 접지 회로

무선 주파수 전류의 반환 경로가 존재하지 않는 경우 이 때 끝자리에 연결된 접지선이나 0V 참조 소스를 사용하여 이동을 보조할 수 있습니다.

잘못된 무선 주파수 전류를 제거합니다.이를 순환 영역 제어라고도 합니다.

루프 영역 제어

자기장이 감지하는 회로로, 그 전자장은 전압원으로 표시할 수 있다.이 전압 소스의 크기는 루프의 전체 면적에 비례합니다.따라서 자기장의 결합 효과를 줄이기 위해서는 루프의 면적을 줄여야 한다.전장 픽업 수신 시스템도 고리 모양의 영역에 의존하여 수신 안테나를 형성한다.

전장이 존재하면 전원과 접지 평면 사이에 전류원이 생긴다.전장은 한 선에서 다른 선으로 결합하지 않고 흔적선에서 땅으로 결합하는데 여기에는 공모전류가 포함된다.그러나 자기장의 경우 전기장이 함께 생성되기 때문에 전자장은 선로에서 선로, 흔적선에서 지선으로 결합된다.

대부분의 사람들은 전원 공급 장치와 PCB의 0V 참조점 사이에 루프 영역을 설정해야 하는 필요성을 무시합니다.그림 6에 표시된 큰 루프 면적은 설계가 가장 쉽지만"정전 방전 (ESD)"또는 다른 필드 감지에 의해 안테나가 되기 가장 쉽습니다.다중 레이어 스태킹 PCB는 ESD의 손상을 줄이고 자유 공간에 방사되지 않도록 자기장 생성을 줄일 수 있습니다.그림 7에서는 접지 평면과 전원 평면 사이에 작은 루프 영역이 있습니다.

전원과 접지 평면을 사용하면 배전 시스템의 전기 감각을 낮출 수 있다.배전 시스템의 특성 임피던스를 낮추면 회로 기판의 전압 감소를 줄일 수 있습니다.만약 전압이 낮아지고 작아진다면"접지반등"현상을 피면할수 있다.논리 게이트 스위치가 빠르게 전환되면 순간적인 전류 변화가 IC 핀을 통해 마더보드의 전원 평면 또는 접지 평면으로 전송되어 입력 참조 전압의 파동을 일으키며 무선 주파수 노이즈(RF 노이즈) 및 전자기 간섭이 발생합니다.이런 현상을'지면 반등'이라고 부른다.또한 특성 임피던스를 줄이면서 전원 평면과 접지 평면 사이의 커패시터 값이 증가합니다.이 커패시터 값은 모든 감응 전압을 떨어뜨릴 것이다.이것이 바로'디커플링'의 효과이다.

그림 6: 녹색 영역은 큰 원형 영역입니다.

어셈블리 사이를 신호선이 오가면 큰 루프 영역이 생성됩니다.그러나 우리는 신호선이 EMI에 미치는 영향을 자주 잊어버린다.신호 무결성 (시간역) 이 여전히 높지만 EMI는 신호 루프 영역이 배전 시스템보다 더 많은 문제를 일으키기 때문에 (주파수) 이 여전히 존재합니다.지속 가능한 교육 개발의 관점에서 특히 그렇습니다.ESD가 직접 루프와 어셈블리의 입력 핀으로 들어가기 때문입니다.ESD로 인한 손상을 줄이기 위해서는 루프 면적을 줄이는 것이 가장 쉬운 방법입니다.전원 및 접지 평면 분산 네트워크는 ESD 에너지를 참조 평면으로 반환하는 저임피던스 경로를 제공합니다.결국 회로는 회로이기 때문에 전자파를 발사할 수 있다면 전자파를 수신할 수 있어야 한다.

이미지 평면은 접지 소음 전압을 낮추는 것 외에도 RF 전류가 그들의 전류 소스 궤적과 밀접하게 결합되어 있기 때문에 다른 반환 경로를 찾을 필요가 없기 때문에 RF 접지 회로가 더 커지는 것을 방지할 수 있습니다.회로 제어가 최대화되면 자기 통화량이 크게 제거됩니다.이것은 PCB에서 무선 주파수 전류를 억제하는 가장 중요한 개념 중 하나입니다.각 신호 평면 근처에서 이미지 평면을 올바르게 구성하면 공통 모드 무선 주파수 전류를 제거할 수 있습니다.대량의 무선 전류를 전송하는 이미지 평면은 0V 참조점에 접지하거나 연결해야 합니다.불필요한 무선 주파수 전압과 와류를 제거하기 위해 모든 접지와 받침대 평면은 저임피던스 접지 회로를 통해 받침대의 접지점을 연결할 수 있다.

그림 7: 작은 루프 면적의 PCB 레이아웃

접지선 간격

PCB에서 루프 생성을 줄이기 위해 가장 간단한 방법은 많은 접지선을 설계하고 모든 접지선이 끝자리의 접지점과 연결되는 것입니다.어셈블리 출력 신호의 가장자리 속도가 빨라졌기 때문에 다중 접지는 특히 I/O 상호 연결을 사용하도록 설계될 때 필요한 사양이 되었습니다.PCB가 다중 접지를 사용하고 모두 금속 구조에 연결되어 있는 경우 모든 접지선 사이의 간격을 알아야 합니다.

지선 사이의 거리는 최고 주파수의 섬/20을 초과할 수 없으며, 최고 주파수는 주 주파수뿐만 아니라 고조파 주파수도 포함한다.컴포넌트의 출력 신호의 가장자리 속도가 상대적으로 느린 경우 베이스에 연결된 접지점의 수를 줄이거나 접지 위치와의 거리를 늘릴 수 있습니다.예를 들어, 64MHz 발진기의 섬/20은 23.4cm입니다. 두 지선 사이의 선형 거리가 23.4cm보다 크면 무선 주파수 에너지가 전파되는 소스인 무선 주파수 회로가 존재할 수 있습니다.

PCB의 어셈블리 레이아웃이 정확해야 합니다.서로 다른 기능 블록의 지선을 긴밀하게 인접시키면 신호 흔적선의 길이를 단축하고 반사를 줄여 배선을 더욱 쉽게 하는 동시에 신호의 완전성을 유지할 수 있다.각 오버홀은 흔적선의 감전감을 약 1~3nH 증가시키기 때문에 가능한 한 오버홀을 사용하지 않아야 합니다.

또한 서로 다른 대역폭 영역의 결합을 방지하기 위해 서로 다른 기능 블록을 적절히 구분해야 합니다.여기에는 개별 PCB, 절연, 다른 경로설정 사용이 포함됩니다.등. 정확한 구분은 회로 성능을 향상시켜 권선을 쉽게 하고 흔적선의 길이를 단축하며 순환로의 면적을 줄이고 신호의 질을 향상시킬 수 있다.경로설정하기 전에 엔지니어는 구성 요소 공급업체로부터 얻을 수 있는 기능 블록에 속하는 구성 요소를 계획해야 합니다.