PCB 기술 - 고속 PCB 인터럽트 분석 및 최소화

1 소개

전자제품의 복잡성과 성능이 끊임없이 향상됨에 따라 인쇄회로기판의 밀도와 관련 설비의 빈도도 끊임없이 증가되고있다.시스템의 속도와 성능을 유지하고 향상시키는 것은 이미 설계자의 중요한 문제가 되었다.신호 주파수가 더 높아지고, 가장자리가 더 가파르고, 인쇄회로기판의 크기가 더 작아지고, 배선 밀도가 증가하는 등 고속 PCB 설계에서 교란의 영향을 크게 증가시켰다.직렬 교란 문제는 객관적으로 존재하지만, 일정한 한도를 초과하면 회로가 잘못 촉발되어 시스템이 정상적으로 작동하지 못할 수 있다.설계자는 간섭의 메커니즘을 이해하고 간섭의 부정적인 영향을 최소화하기 위해 설계에 적절한 방법을 적용해야 합니다.

2. 고주파 디지털 신호 교란의 발생 및 변화 추세

직렬 교란은 신호가 전송선에서 전파될 때 인접한 신호 사이의 전자장이 서로 결합하여 발생하는 원하지 않는 소음 전압 신호를 말한다. 즉 에너지가 한 선로에서 다른 선로로 결합하는 것이다.

그림 1에서 볼 수 있듯이 분석을 용이하게 하기 위해 우리는 이산 등효 모델에 근거하여 두 개의 인접 전송선의 직렬 교란 모델을 묘사했다.전송선 AB와 CD의 특성 임피던스는 Z0이며 단자는 저항 R = Z0과 일치합니다.A점의 구동원이 간섭원이라면 A와 B 사이의 유선 네트워크는 Aggressor선이라고 하고, C와 D 사이의 유선 네트워크는 Victim선이라고 하며 간섭을 받는다.간섭원 네트워크 구동단 부근의 간섭을 근단 간섭(역방향 간섭이라고도 함), 간섭원 네트워크 수신단 부근의 만담을 원단 간섭(전방향 간섭이라고도 함)이라고 한다.직렬 교란은 주로 두 인접 도체 사이에 형성된 상호 감지 Lm와 상호 커패시터 Cm에서 비롯된다.

2.1 전감 결합

그림 1에서는 먼저 상호 감지 Lm으로 인한 전기 감지 결합만 고려합니다.회선 A에서 B로 전송되는 신호의 자기장은 회선 C에서 D로 전압을 감지한다. 자기 결합은 변압기와 같은 역할을 한다.이것은 분산 전송 라인이기 때문에 상호 감지도 두 개의 인접 병렬 전송 라인에 분포하는 일련의 변압기로 변했다.전압계단신호가 a에서 B로 이동할 때 교란선에 분포된 매개 변압기는 차례대로 교란네트워크에서 교란첨봉을 산생하게 된다.간섭된 네트워크의 상호 감지가 중첩된 전압 소음은 간섭된 네트워크의 구동 전류의 변화와 비례한다.상호 감지에서 발생하는 소음의 계산 공식은

주목할 만한 것은 결합 변압기의 각 부분의 상호 감지 결합의 극성이 다르다는 것이다.간섭된 네트워크에서 발생하는 간섭 에너지는 순서대로 앞과 뒤이지만 극성은 반대로 각각 전송선 CD를 따라 C와 C로 흐른다.

그림 2와 같이 C 방향의 양방향 간섭 에너지는 입사 전압 및 각 상호 감지 컴포넌트 Lm에 비례합니다.모든 순방향 간섭 에너지는 거의 동시에 C점에 도달하기 때문에 순방향 간섭 에너지와 두 전송선의 상호 감지량 총량은 정비례한다. 전송선의 병렬 길이가 길수록 발생하는 상호 감지 총량은 커지고 순방향 간섭 에너지도 증가한다.그러나 방향 점 D의 역방향 간섭 에너지는 방향 점 C의 양방향 간섭 에너지와 다릅니다. 예, 두 개의 총 결합 면적은 같지만 각 센서가 감지하는 간섭 분량은 D에 순차적으로 도달하며 역방향 간섭 에너지의 유효 시간은 2Tp에 달합니다 (Tp는 전파 지연).병렬 길이가 길어지면 (즉, 상호 작용이 증가함) 역방향 간섭의 폭은 변하지 않지만 지속 시간은 증가합니다.

2.2 커패시터 결합

상호 용량은 직렬 교란을 일으키는 또 다른 메커니즘이다.상호 커패시터 Cm은 간섭되는 네트워크에서 감지 전류를 생성합니다.이 전류는 간섭망의 전압 변화율과 비례한다.상호 커패시터 Cm에 의한 노이즈 계산 공식은 다음과 같습니다.

분산 결합 콘덴서의 결합 메커니즘은 분산 감지 결합과 유사하며 다른 점은 결합의 극성에 있습니다.그림 3에서 볼 수 있듯이 호환 결합의 양방향과 역방향 간섭 에너지의 극성은 모두 양이다.

2.3 상호감지와 용량의 조합 효과

일반적으로 커패시터 인터럽트와 센싱 인터럽트가 동시에 발생합니다.문헌[1]에서 우리는 용량 결합과 전감 결합이 중첩된 후의 근단과 원단 총 교란의 계산 공식을 각각 얻을 수 있다.

근거리 인터럽트의 총 노이즈는 다음과 같습니다.

전체 원격 인터럽트 노이즈는 다음과 같습니다.

여기서 Z0, C, l, Cm, Lm, l 및 V0은 전송선의 특성 임피던스, 단위당 길이의 커패시터, 단위당 길이의 커패시터, 두 전송선 사이의 결합 커패시터와 결합 커패시터, 두 전송선의 병렬 길이 및 전압 피크입니다.

상기 두 공식에서 볼 수 있듯이 용량 결합과 전감 결합의 극성 관계로 인해 원거리 교란의 총 소음은 서로 감소한다. 즉 원거리 교란을 제거할 수 있다.PCB 레이아웃에서 밴드선 회로는 센싱과 커패시터 결합 사이에서 좋은 균형을 나타낼 수 있으며 양방향 결합 에너지는 매우 작습니다.마이크로스트립(Microstfip)의 경우 교란과 관련된 전장이 크다. 일부 채널은 다른 절연재료가 아닌 공기이기 때문에 커패시터 교란이 센싱 교란보다 작아 양방향 결합의 음수가 적다.이것이 일반적인 설계에서 종종 원거리 간섭의 간섭을 무시하고 근접 간섭의 개선을 강조하는 이유입니다.

실제 설계에서 PCB의 관련 매개변수(예를 들어 두께, 개전 상수 등)와 회선 길이, 회선 너비, 회선 간격, 전송선과 접지 평면의 위치, 전류 방향은 c, l, Cm, Lm, l에 영향을 미친다. 크기는 신호 주파수와 부품의 상승/하강 시간에 의해 결정된다.

여기서 우리는 이러한 매개변수가 직렬 교란에 미치는 영향에 대해 정량 분석을 하지 않습니다.이러한 매개변수와 직렬 교란의 영향 정도 간의 관계에 대해서는 자세한 내용은 관련 추가 참고 자료를 참조하십시오.

2.4 교란의 변화 추세

상호감지와 상호용량의 크기는 직렬교란의 크기에 영향을 주어 전송선의 특성저항과 전파속도를 등효적으로 개변시킨다.이와 유사하게 전송선의 기하학적 형태는 상호감각과 상호용량의 변화에 큰 영향을 미치기 때문에 전송선 자체의 특성 저항도 이런 매개 변수에 영향을 미친다.같은 매체에서 상대적으로 저항이 낮은 전송선과 참고평면(접지평면) 사이의 결합이 더욱 강하고 상대적으로 저항이 낮은 전송선과 인접한 전송선 사이의 결합이 비교적 약하기 때문에 저저항 전송선은 교란으로 인한 저항 변화가 비교적 적다.

3 교란으로 인한 몇 가지 영향

고속, 고밀도 PCB 설계에서 일반적으로 완전한 접지 평면을 제공하여 각 신호선은 기본적으로 가장 가까운 신호선과만 상호 작용하며 다른 먼 곳의 신호선과의 교차 결합은 무시할 수 있습니다.그러나 아날로그 시스템에서는 고출력 신호가 저전력 레벨을 통해 신호를 입력할 때나 TTL과 같은 높은 신호 전압을 가진 구성 요소가 ECL과 같은 낮은 신호 전압을 가진 구성 요소에 가까울 때 매우 높은 저항이 필요합니다.직렬 교란 기능.PCB 설계에서 잘못 처리되면 직렬 교란은 고속 PCB의 신호 무결성에 다음과 같은 두 가지 일반적인 영향을 미칩니다.

3.1 교란으로 인한 오류 트리거

신호 간섭은 고속 설계가 직면한 신호 완전성 문제의 중요한 구성 부분이다.직렬 교란으로 인한 디지털 회로 기능 오차는 가장 흔히 볼 수 있는 것이다.

그림 4는 직렬 간섭 펄스로 인한 인접 네트워크의 오류 논리의 전형적인 전송입니다.간섭원 네트워크에서 전송되는 신호는 결합 콘덴서를 통해 간섭된 네트워크와 수신단에서 노이즈 펄스를 발생시켜 원하지 않는 펄스가 수신단으로 전송된다.만약 이 펄스의 강도가 수신단의 트리거 값을 초과하면 통제할 수 없는 트리거 펄스가 발생하여 다음 단계의 네트워크의 논리 기능이 혼란스러워진다.

3.2 교란으로 인한 시간 지연

디지털 디자인에서 시간 문제는 중요한 고려 요소이다.그림 5는 직렬 노이즈로 인한 시간 문제를 보여줍니다.그림의 아래쪽은 간섭원 네트워크에서 발생하는 두 가지 소음 펄스 (유용 그림 5 직렬 간섭 소음으로 인한 지연 가시와 무효 가시) 이다.노이즈 펄스 (유용한 가시) 가 방해되는 네트워크에 중첩되면 네트워크 신호의 전송을 방해합니다.지연 시간 감소,이와 마찬가지로 노이즈 펄스 (쓸모없는 가시) 가 방해된 네트워크에 중첩되면 방해된 네트워크의 정상적인 전송 신호의 지연이 증가합니다.네트워크 전송 지연을 줄이는 이러한 인터럽트 노이즈는 PCB 타이밍을 개선하는 데 도움이 되지만, 실제 PCB 설계에서는 인터럽트 소스 네트워크의 불확실성으로 인해 이러한 지연을 제어할 수 없기 때문에 이러한 인터럽트로 인한 지연을 억제해야 한다.

4. 인터럽트 최소화

직렬 교란은 고속 및 고밀도 PCB 설계에서 어디에나 있으며, 직렬 교란이 시스템에 미치는 영향은 일반적으로 부정적입니다.직렬 간섭을 줄이기 위해 가장 기본적인 것은 간섭 소스 네트워크와 간섭 대상 네트워크 사이의 결합을 가능한 한 작게 하는 것이다.고집적 및 복잡한 PCB 설계에서는 직렬 간섭을 완전히 피할 수 없습니다.그러나 시스템 설계에서 설계자는 시스템의 다른 성능에 영향을 주지 않으면서 간섭을 최소화하는 적절한 방법을 선택해야 합니다.이상의 분석과 결합하여 교란 문제를 해결하는 것은 주로 다음과 같은 몇 가지 방면에서 고려한다.

경로설정 조건이 허용되는 경우 전송선 사이의 거리를 최대한 늘립니다.또는 인접한 전송선 사이의 평행 길이 (누적 평행 길이) 를 최소화하고 서로 다른 레이어 간에 회선을 라우팅하는 것이 좋습니다.

인접한 두 레이어의 신호 레이어 (평면 레이어 격리 없음) 는 경로설정 방향에 수직해야 하며 평행 경로설정을 피하여 레이어 간 간섭을 최소화해야 합니다.

신호 시퀀스를 보장하는 상황에서 가능한 한 전환 속도가 낮은 부품을 선택하여 전장과 자기장의 변화율을 늦추어 직렬 교란을 줄인다.

레이어를 설계할 때 특성 임피던스를 충족하는 조건에서 경로설정 레이어와 참조 평면(전원 또는 접지 평면) 사이의 개전 레이어는 가능한 한 얇게 하여 전송선과 참조 평면 사이의 결합을 증가하고 전송선의 인접 결합을 줄여야 합니다.

표면층에 하나의 참조 평면만 있기 때문에 표면층 배선의 전장 결합은 중간층보다 더 강하기 때문에 교란에 더 민감한 신호선은 가능한 한 내층에 배치해야 한다.

단접을 통해 전송선의 원거리와 근단단자의 저항은 전송선의 저항과 일치할 수 있으며 이는 직렬 교란의 폭을 크게 낮출 수 있다.

5. 끝말

디지털 시스템 설계는 새로운 단계에 들어섰다.과거의 부차적인 고속 설계 문제가 시스템 성능에 중요한 영향을 미치고 있습니다.간섭을 포함한 신호 무결성 문제는 설계 개념, 설계 프로세스 및 설계 방법의 변화를 초래합니다.새로운 도전에 직면하여 교란 소음은 가장 중요한 것은 시스템의 정상적인 운행에 진정한 영향을 미치는 네트워크를 찾아내는 것이지, 모든 네트워크의 교란 소음을 무조건 억제하는 것이 아니다.또한 제한된 경로설정 리소스를 충족합니다.모순적본고에서 토론한 교란은 고속 고밀도 회로 설계에서의 교란 문제를 해결하는 데 중요한 의의를 가진다.