PCB 기술 - 신호 무결성 분석을 기반으로 한 고속 디지털 PCB 설계 방법

이 문서에서는 신호 무결성 컴퓨터 분석을 기반으로 한 고속 디지털 신호 PCB 보드의 설계 방법을 소개합니다.이 설계 방법에서는 먼저 모든 고속 디지털 신호에 대한 PCB 보드급 신호 전송 모델을 만든 다음 신호 무결성에 대한 계산 및 분석을 통해 설계의 해결 공간을 찾고 마지막으로 해결 공간을 바탕으로 PCB를 완료합니다.보드 설계 및 검증

집적회로의 출력 전환 속도가 높아지고 PCB 보드의 밀도가 증가함에 따라 신호 무결성은 고속 디지털 PCB 설계에서 반드시 주목해야 할 문제 중 하나가 되었다.컴포넌트와 PCB 보드의 매개변수, PCB 보드에서의 컴포넌트 레이아웃 및 고속 신호의 경로설정 등은 신호 무결성 문제를 초래하여 시스템 작동이 불안정하거나 심지어 전혀 작동하지 않습니다.

PCB 설계 과정에서 신호 무결성 요소를 충분히 고려하고 효과적인 제어 조치를 취하는 방법은 오늘날 PCB 설계 업계에서 화제가 되고 있습니다.신호 무결성 컴퓨터 분석을 기반으로 한 고속 디지털 PCB 보드 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 더 나은 신호 무결성을 갖습니다.반대로 신호가 제대로 응답하지 않으면 신호 무결성 문제가 발생한다.넓은 의미에서 신호 무결성 문제는 주로 지연, 반사, 인터럽트, 동기식 스위치 노이즈 (SSN) 및 전자기 호환성 (EMI) 의 다섯 가지 측면에서 나타납니다.

지연이란 신호가 PCB 보드의 컨덕터에서 제한된 속도로 전송되는 것으로, 신호가 송신에서 수신단으로 전송되는 동안 전송 지연이 존재한다.신호 지연은 시스템의 타이밍에 영향을 미칩니다.고속 디지털 시스템에서 전송 지연은 주로 컨덕터의 길이와 컨덕터 주변 매체의 매전 상수에 따라 달라집니다.

또한 PCB 보드의 컨덕터 (고속 디지털 시스템에서 전송선이라고 함) 의 특성 임피던스와 부하 임피던스가 일치하지 않을 때 신호가 수신단에 도달하면 일부 에너지가 전송선을 따라 반사되어 신호 파형이 왜곡되고 심지어 신호 과충과 하충이 발생합니다.신호가 전송선에서 이리저리 반사되면 벨과 벨 진동이 발생한다.

PCB의 두 장치 또는 컨덕터 사이에는 상호 커패시터와 상호 감지가 존재하기 때문에 컨덕터의 장치 또는 신호가 변경되면 그 변화는 상호 커패시터와 감지를 통해 다른 장치 또는 감지에 영향을 미칩니다.유선, 즉 직렬음.직렬 교란의 강도는 부품과 컨덕터의 형상 크기와 상호 거리에 따라 달라집니다.

PCB 보드의 많은 디지털 신호가 동시에 전환될 때 (예: CPU 데이터 버스, 주소 버스 등) 전원 코드와 지선의 임피던스로 인해 동시 전환 노이즈가 발생하고 지선에 지평면 댄스가 나타납니다.소음 (지상 폭탄이라고 함).SSN 및 접지 반등의 강도는 또한 집적 회로의 IO 특성, PCB 보드의 전원 레이어 및 접지 레이어의 임피던스, PCB 보드의 고속 장치의 레이아웃 및 배선에 따라 달라집니다.

또한 다른 전자 기기와 마찬가지로 PCB에도 전자기 호환성 문제가 존재하는데, 이는 주로 PCB 보드의 배치와 배선과 관련이 있다.

2. 기존 PCB 보드 설계 방법

전통적인 설계 과정에서 PCB 설계에는 회로 설계, 레이아웃 설계, PCB 생산, 측정 및 디버깅 단계가 포함됩니다.회로 설계 단계에서는 실제 PCB 보드에서 신호의 전송 특성을 분석하는 효과적인 방법과 수단이 부족하기 때문에 회로 설계는 일반적으로 컴포넌트 제조업체와 전문가의 조언 및 과거의 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 레이아웃 설계 단계에서도 PCB 구성 요소 레이아웃과 신호 경로설정으로 인한 신호 성능 변화를 실시간으로 분석하고 평가하기 어렵기 때문에 레이아웃 설계의 질은 설계자의 경험에 더 많이 달려 있다.PCB 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 설계 과정에서는 생산이 완료된 후에야 기기 측정을 통해 PCB 보드의 성능을 판단할 수 있었다.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.

전통적인 PCB 설계 방법을 채택하면 제품 개발 주기가 더 길고 연구 개발 비용도 그만큼 더 높다는 것을 알 수 있다.

3. 신호 무결성 분석을 기반으로 한 PCB 설계 방법

신호 무결성 컴퓨터 분석 기반 PCB 설계 프로세스는 그림 2와 같습니다.신호 무결성 분석을 기반으로 한 기존 PCB 설계 방법과 비교할 때 다음과 같은 특징이 있습니다.

PCB 보드를 설계하기 전에 먼저 고속 디지털 신호 전송의 신호 무결성 모델을 구축합니다.

SI 모델에 따라 신호 무결성 문제를 미리 분석하고 시뮬레이션 계산 결과에 따라 적합한 컴포넌트 유형, 매개변수 및 회로 토폴로지 구조를 회로 설계의 기초로 선택합니다.

회로 설계 과정에서 신호 무결성 분석을 위해 SI 모델로 설계안을 보내고 컴포넌트와 PCB 보드 매개변수의 공차 범위, PCB 레이아웃 설계에서 나타날 수 있는 토폴로지 구조 및 매개변수 변화 등의 요소를 계산하고 분석합니다.솔루션 공간

회로 설계가 완료되면 각 고속 디지털 신호에는 연속적이고 구현 가능한 솔루션 공간이 있어야 합니다.즉, PCB와 소자 매개변수가 일정한 범위 내에서 변화할 때 PCB 보드의 소자 레이아웃과 PCB 보드의 신호선 경로설정은 일정한 유연성을 가지고 있어 여전히 신호 무결성의 요구를 보장할 수 있다.

PCB 레이아웃 설계가 시작되기 전에 얻은 각 신호 분해 공간의 경계 값은 PCB 레이아웃의 레이아웃과 경로설정의 설계 기반으로 사용되는 레이아웃 설계의 제약조건으로 사용됩니다.

PCB 레이아웃 설계 과정에서 부분적으로 완료되거나 완전히 완료된 설계는 설계 후 신호 무결성 분석을 위해 SI 모델로 보내져 실제 레이아웃 설계가 예상되는 신호 무결성 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.시뮬레이션 결과가 충족되지 않으면 잘못된 설계로 인한 제품 고장 위험을 줄일 수 있도록 레이아웃 설계, 심지어 회로 설계까지 수정해야 합니다.

PCB 설계가 완료되면 PCB 보드를 제작할 수 있습니다.PCB 보드 제조 매개변수의 공차 범위는 신호 무결성 분석을 위한 솔루션 공간의 범위여야 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 일반적으로 제품 개발 주기를 단축하고 개발 비용을 절감할 수 있는 PCB 보드를 설계 및 생산에 대한 몇 번의 반복 수정 없이 최종 결정할 수 있습니다.

4. 신호 완전성 분석 모델

신호 무결성 컴퓨터 분석을 기반으로 한 PCB 설계 방법 중 가장 핵심적인 부분은 기존 설계 방법과 다른 PCB 보드 레벨 신호 무결성 모델을 구축하는 것입니다.

SI 모델의 정확성은 설계의 정확성을 결정하며 SI 모델의 구축 가능성에 따라 설계 방법의 타당성이 결정됩니다.

4.1.PCB 설계의 SI 모델

전자 설계에서는 PCB 보드 레벨 신호 무결성 분석에 사용할 수 있는 모델이 많이 있습니다.가장 많이 사용되는 세 가지는 SPICE, IBIS 및 Verilog-A입니다.

a. SPICE 모델

SPICE는 강력한 범용 아날로그 회로 시뮬레이터입니다.SPICE 모델은 전자 설계에 널리 사용되었으며 HSPICE와 PSPICE라는 두 가지 주요 버전이 파생되었습니다.HSPICE는 주로 집적회로 설계에 사용되고 PSPICE는 PCB 보드 및 시스템 레벨 설계에 사용됩니다.

SPICE 모델은 모델 방정식과 모델 매개변수의 두 부분으로 구성됩니다.모델 방정식을 제공하기 때문에 SPICE 모델은 에뮬레이터의 알고리즘과 밀접하게 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 유닛 서브회로의 SPICE 모델과 반도체 특성의 제조 매개변수에 대한 상세하고 정확한 설명을 제공할 필요가 있습니다.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 모델 매개변수의 출처 (즉, 데이터의 정확성) 와 모델 방정식의 적용 범위에 따라 달라집니다.모델 방정식과 각종 디지털 시뮬레이터의 조합도 분석의 정확성에 영향을 줄 수 있다.또한 PCB 보드 레벨 SPICE 모델에는 많은 수의 에뮬레이션 계산이 있으며 분석에 상대적으로 시간이 많이 걸립니다.

b.IBIS 모델

IBIS 모델은 원래 인텔사가 PCB 보드급 및 시스템급 디지털 신호 무결성 분석을 위해 특별히 개발했다.이제 IBIS 오픈 포럼에 의해 관리되며 공식 산업 표준 (EIA/ANSI 656-A)이되었습니다.

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.이제 모든 주요 디지털 집적회로 제조업체는 칩과 함께 해당 IBIS 모델을 제공할 수 있습니다.

IBIS 모델의 분석 정밀도는 주로 I/V 및 V/T 테이블의 데이터 점 수와 데이터의 정확성에 따라 달라집니다.IBIS 모델을 기반으로 한 PCB 보드 레벨 시뮬레이션은 차트 계산을 사용하기 때문에 일반적으로 해당 SPICE 모델의 1/10~1/100에 불과한 계산량이 적습니다.

c.Verilog AMS 모델 및 VHDL-AMS 모델

Verilog AMS 및 VHDL-AMS는 4 년 미만의 새로운 표준으로 등장했습니다.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 셀 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 적었다.그러나 AMS 모델은 PCB 보드 레벨 신호 무결성 분석에서 SPICE와 IBIS 모델 못지않게 타당성과 계산 정밀도를 제공합니다.

4.2 모델 선택

모든 PCB 보드 레벨의 신호 무결성 분석을 완료하기위한 통합 모델이 없기 때문에 고속 디지털 PCB 보드 설계에서 위의 모델을 혼합하여 핵심 신호와 민감한 신호의 전송 모델을 최대한 구축 할 필요가 있습니다.

분리된 소스 없는 컴포넌트의 경우 제조업체에서 제공하는 SPICE 모델을 찾거나 실험 측정을 통해 단순화된 SPICE 모델을 직접 만들어 사용할 수 있습니다.

주요 디지털 집적 회로의 경우 제조업체에서 제공하는 IBIS 모델을 찾아야 합니다.현재 대부분의 집적회로 설계자와 제조업체는 웹 사이트 또는 다른 방식으로 필요한 IBIS 모델을 제공하면서 칩을 제공 할 수 있습니다.

비 핵심 집적 회로의 경우 제조업체의 IBIS 모델을 사용할 수 없는 경우 칩 핀의 기능에 따라 유사하거나 기본 IBIS 모델을 선택할 수도 있습니다.물론 실험 측정을 통해 단순화된 IBIS 모델을 만들 수도 있습니다.

PCB 보드의 전송선의 경우 단순화된 전송선 SPICE 모델을 사용하여 신호 무결성 사전 분석과 공간 해석 분석을 할 수 있으며, 실제 레이아웃 설계에 따라 배선 후 완전한 전송선 SPICE 모델을 사용하여 분석해야 한다.

5. 설계 방법론과 기존 EDA 소프트웨어의 결합

현재 PCB 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 컴포넌트, 패시브 컴포넌트 및 전송선에 대한 SPICE 모델을 만들고 디버깅 및 검증합니다.

SPECCTRAQuest, HyperLynx, Tau, IS_Analyzer 등 이미 획득한 다양한 구성 요소와 전송선의 SPICE/IBIS 모델을 PCB 보드에 신호의 SI 분석 모델을 만들고 성별의 신호 무결성 분석 및 계산을 수행합니다.

SI 분석 소프트웨어와 함께 제공되는 데이터베이스 기능을 사용하거나 다른 일반 데이터베이스 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션 작업의 결과를 더 정렬하고 분석하며 이상적인 솔루션 공간을 검색합니다.

공간의 경계 값을 풀기 위해 PCB 회로 설계의 기초 및 배치 설계의 제약조건으로 OrCAD, Protel, PADS, PowerPCB, Allegro 및 Mentor와 같은 범용 PCB 설계 EDA 소프트웨어를 사용하여 PCB 회로 설계 및 배치 설계를 완료합니다.

PCB 레이아웃 설계가 완료되면 위의 레이아웃 설계 소프트웨어를 통해 토폴로지, 길이, 간격 등 실제 설계 회로의 매개변수를 자동 또는 수동으로 추출하여 이전 신호 무결성 분석 소프트웨어로 전송하여 경로설정할 수 있습니다.SI 분석을 통해 실제 설계가 솔루션 공간 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.

PCB 보드 제조가 완료되면 실험 기기의 측정을 통해 각 모델과 시뮬레이션 계산의 정확성을 검증할 수 있다.

이 문서의 요약:

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 설계 방법이 전자 제품 설계에 점점 더 많이 적용될 것으로 예상된다.