PCB 기술 - 고속 PCB 설계 가이드 II: 혼합 신호 시스템의 설계 트랩 방지

요약: 오늘날의 SOC를 성공적으로 사용하려면 보드 및 시스템 수준의 설계자가 구성 요소를 가장 잘 배치하고, 레이아웃 이력을 배치하고, 보호 구성 요소를 사용하는 방법을 알아야 합니다.

그들은 디지털 셀룰러 전화라고 불리지만, 이전의 소위 아날로그 셀룰러 전화보다 더 많은 아날로그 기능을 포함하고 있다.실제로 음성, 이미지, 온도, 압력 등과 같은 연속 상태 값을 처리해야 하는 모든 시스템은 이름에 숫자라는 단어가 나타나더라도 아날로그 기능을 가지고 있습니다.오늘날의 멀티미디어 PC도 예외는 아닙니다.음성 및 비디오 입력 및 출력, 난방 중앙 처리 장치의 긴급 온도 모니터링 및 고성능 모뎀이 있습니다.이 시스템도 혼합 신호 기능 목록의 항목입니다.점점 많아지고 있어요.

이 두 가지 시스템의 추세는 하이브리드차를 설계하는 사람들에게 새로운 도전을 가져왔다.휴대용 통신 및 컴퓨팅 장치의 부피와 무게는 계속 줄어들지만 기능은 계속 증가합니다.데스크탑 시스템은 중앙 프로세서의 용량과 통신 주변 장치의 속도를 계속 향상시킵니다.분명한 것은 현대 디지털 회로 기판을 설계하면서 벨, 소음으로 인한 오차와 지전위 반등을 피하는 것이 상당히 어렵다는 것이다.그러나 소음에 취약한 아날로그 신호선을 방파 격려 디지털 데이터 라인 근처에 추가하면 문제가 더욱 심각해진다.

칩 수준에서 현재의 SOC (슬라이스 시스템) 는 논리 회로, 아날로그 회로 및 열역학 설계에 대한 전문 지식이 필요합니다.이러한 IC를 성공적으로 사용하기 위해서는 보드 및 시스템 수준의 설계자가 구성 요소를 가장 잘 배치하고, 경로를 설정하고, 보호 구성 요소를 사용하는 방법을 알아야 합니다.

이 문서에서는 현재 혼합 신호 시스템 설계에서 흔히 볼 수 있는 트랩을 설명하고 이러한 트랩을 제거하거나 제거하기 위한 지침을 제공합니다.그러나 구체적인 문제를 논의하고 제안하기 전에 시스템 설계의 소형화와 고속화의 두 가지 추세가 이러한 문제에 어떻게 영향을 미치는지 자세히 이해하는 것이 큰 도움이 될 것이다.

1.'고속화'추세

1999 년 미드레인지 PC의 사양을 5 년 전 사양과 비교한 결과, 중앙 프로세서의 속도가 약 한 단계 향상되었고 CPU가 소비하는 전류도 약 두 배 증가했습니다.고속과 고전류를 결합하면 V = L (di/dt) 관계의"di/dt"부분이 크게 개선됩니다.실제로 회로기판 중반인치 길이의 접지선은 1볼트가 넘는 전압을 감지할 수 있다. 변환기의 경우 접지전위 참조선이 전압을 감지해 작동이 정지될 수 있다.

이러한 속도를 향상시키기 위해 IC의 설계 및 제조는 0.35 μm과 같은 깊은 마이크로미터 크기로 설계되었습니다. 이는 기하학적 크기를 줄이고 더 빠른 성능을 제공하지만 이러한 장치로 인해 순간적으로 발생하는 래치 및 손상을 초래할 가능성이 높습니다.또한 이러한 장치는 점점 더 엄격해지는 허용 전압 범위에 맞추기 위해 더 엄격한 에너지 관리가 필요합니다.

현재 10/100 이더넷 네트워크 인터페이스 카드(NIC)가 좋은 예입니다.원래 10Base-T 칩은 과전압 손상에 상대적으로 민감하지 않은 큰 크기의 CMOS 부품입니다.그러나 새 칩은 0.35μm의 선폭을 사용하는데 이는 전기에너지와 번개로 인한 순변순변으로 인한 잠금과 고장에 매우 민감하다.

SMP(대칭 멀티프로세서 능력) 아키텍처를 갖춘 현대 서버와 500MHz 이상의 주파수에서 실행되는 CPU는 에너지 분배 도전의 좋은 예이다.5V 전원을 단순히 구성하고 해당 버스에 케이블을 연결할 수는 없습니다.500MHz에서 최대 20A 또는 30A의 전류로 전환하려면 실제로 각 사용점마다 별도의 동글이 필요하며 이 모든 동글의 더 큰 주 전압 소스에 전원이 공급됩니다.

이러한 추세에는 핫스왑 기능이 필요합니다. 즉, 현재 시스템에 보드를 삽입하거나 제거할 수 있어야 합니다.급변할 것으로 예상하기 위해서다.이렇게 하면 삽입된 마더보드와 마더보드가 모두 적절하게 보호되어야 합니다.

소형화와 고속화 추세에는 모두 독특한 문제가 있다.예를 들어, 소형, 휴대용 및 휴대용 장치의 경우 고전류 에너지 분포는 큰 문제가 아닙니다.데스크탑 컴퓨터와 서버의 경우 배터리 수명 연장은 문제가 되지 않습니다.그러나 잠금과 순간적인 손상은 이 두 분야에서 모두 문제가 되고 있다.

2.'소형화'추세

5년 전 제품에 비해 1999년의 휴대전화 칩 수는 훨씬 적어 무게와 부피가 크게 줄었고 배터리 수명도 크게 길어졌다.이 과정에서 주요 요인은 하이브리드 신호 IC 솔루션의 큰 진보입니다.그러나 칩의 기하학적 형태가 줄어들면서 회로 기판의 경로설정 간격이 가까워지고 물리적 법칙이 나타나기 시작했습니다.

평행적선이 갈수록 가까워지고 갈수록 큰 기생용량결합이 산생되는데 이는 거리평방반비례의 결과일뿐이다.과거에는 소량의 공간 흔적만 있었지만, 지금은 많은 흔적을 포함하고 있다.따라서 비인접 흔적선 사이의 커패시터 결합이라도 문제를 일으킬 수 있다.

휴대전화는 그 성질에 의해 결정되며 사람들이 소지하고 사용하는 설비이다.저온의 날, 당신은 카펫을 왔다갔다한 다음 휴대전화를 들고"탁"하는 소리를 낸다. 이는 설비에 고압정전기방전 (ESD) 펄스를 발송한다.적절한 ESD 보호가 없으면 하나 이상의 IC가 손상될 수 있습니다.그러나 ESD 손상을 방지하기 위해 외부 구성 요소를 추가하면 소형화 추세에 어긋납니다.

또 다른 문제는 에너지 관리입니다.휴대전화 사용자들은 배터리를 두 번 충전하는 간격이 길수록 좋기를 바란다.즉, DC-DC 동글은 매우 효율적이어야 합니다.스위치 기술은 그 해답이지만, 이 경우 변환기도 그 자체의 잠재적인 소음원이 된다.따라서 변환기는 신중하게 선택, 배치 및 상호 연결해야 합니다.또한 볼륨은 무시할 수 없는 요소이므로 물리적 크기가 가장 작은 소스 없는 어셈블리를 사용할 수 있는 어셈블리 유형을 선택해야 합니다.만약 당신이 선형 안정기를 사용한다면, 출력을 최저 배터리 전압으로 유지할 수 있는 초저압 강하 유형을 선택해야 한다.이렇게 하면 배터리가 더 이상 충분한 전력을 공급하지 않기 전에 가능한 한 많은 방전을 할 수 있습니다.

3. 잠금 및 순간적

선폭에서 심층 마이크로미터 IC까지의 순간적인 상태는 과전압 조건에 대한 민감성을 악화시킬 수 있으며, 이는 이러한 장치의 성능에 영향을 주지 않고 더 똑똑하게 보호해야한다는 것을 의미합니다.

보호 입력에서 모든 보호 컴포넌트는 정상적인 작업에서 임피던스 회로로 나타나야 합니다.예를 들어, 정상적인 입력 신호에 작은 영향을 미치려면 가능한 한 작은 용량 부하를 로드해야 합니다.그러나 전압이 지난 시점에서 동일한 장치는 보호된 장치의 입력에서 멀리 떨어지도록 순간적 에너지의 주요 경로가되어야합니다.또한 보호 장치의 내성 전압은 보호 핀의 최대 허용 전압보다 높아야 합니다.마찬가지로 보호 대상 장치의 손상을 방지하기 위해 고정 전압이 충분히 낮아야 합니다.이는 순간적인 조건에서 입력상의 전압이 보호장치의 고정전압이 되기 때문이다.

이전에는 순간전압억제(TVS) 다이오드가 인쇄회로기판의 순간을 효과적으로 고정시켰다.전통적인 (TVS) 다이오드는 고체 PN 결합 부품으로 낮은 5V의 전압에서 잘 작동합니다.이들은 빠른 응답 시간, 낮은 고정 전압, 높은 전류 서지 능력을 갖추고 있으며 모두 필요한 특성을 가지고 있습니다.그러나 전통적인 TVS 다이오드의 문제는 5V 미만이면 고개를 든다는 것입니다.여기서 그들이 사용하는 눈사태 기술은 장애물이다.5V 미만의 마감 전압을 구현하려면 높이 혼합(1018/cm-3 이상)이 필요합니다.이것은 거꾸로 더 높은 용량과 누전류를 초래할 수 있으며, 이 둘 다 고성능을 손상시킬 수 있다.전통적인 TVS 다이오드는 전압이 낮아질수록 증가하는 전압에 의존하는 용량을 가지고 있다.예를 들어, 5V에서 일반적인 ESD 보호 다이오드는 400pF의 접합 용량을 갖게 됩니다.이러한 용량성 부하가 100Base-TEthernet 송신기나 수신기의 입력 노드에 가해지거나 범용 직렬 버스 (USB) 입력에 가해지면 어떤 일이 일어날지 상상할 수 있습니다.또한 이러한 유형은 가장 순간적인 보호가 필요한 회로 유형입니다.

전압이 5V보다 낮은 상황에서 전통적인 TVS 다이오드는 사실상 선택이 아니다.그렇다고 선택의 여지가 없는 건 아니에요.UC버클리와 Semtech(캘리포니아주 뉴베리파크)가 공동으로 개발한 신기술은 2.8V로 낮은 순간 및 ESD 보호를 제공합니다. 다양한 TVS 장비 중 하나를 선택할 수 있으며, 적절한 용량, 마감 전압 및 고정 전압을 갖추고 있어 시스템 요구 사항을 충족할 수 있습니다.그런 다음 장치가 보드에 있어야 할 위치와 보드를 경로설정하는 방법을 고려해야 합니다.

보호 경로의 기생 감지는 고전압 과충을 초래하고 IC를 손상시킬 수 있습니다.특히 ESD와 같은 빠른 상승 시간의 순간적인 변화에는 더욱 그렇습니다.IEC1000-4-2의 정의에 따르면 ESD로 인한 순간은 1나노초(ns) 미만의 시간 내에 최고치에 도달합니다.20nH/인치의 흔적선 감지 계산에 따르면 10A 펄스의 4인치 흔적선 4개는 50V의 과충을 초래할 것이다.

접지 회로, TVS 및 보호 회로 사이의 경로, 커넥터에서 TVS 장치로의 경로 등 가능한 모든 인덕션 경로를 고려해야 합니다.또한 TVS 장치는 가능한 한 커넥터에 접근하여 근처의 다른 흔적선에 순간적으로 결합해야합니다.

10 / 100 이더넷 패널은 순간적인 보호가 필요한 서브시스템입니다.이더넷 스위치 및 라우터에 사용되는 장치는 순간적으로 고에너지 번개 감지에 노출됩니다.사용된 깊이 마이크로미터 IC는 설계에서 과전압 잠금에 매우 민감합니다.일반적인 시스템에서 각 포트에 사용되는 이중 권선 인터페이스는 송신기와 수신기에 사용되는 두 개의 다른 신호 쌍으로 구성됩니다.일반적으로 트랜스미터 입력은 손상되기 쉽습니다.회선 쌍에는 서로 다른 치명적인 방전이 있을 수 있는데, 그것은 변압기 용량을 통해 이더리움 네트워크 IC로 결합될 것이다.

신호 주파수가 매우 높음 (100Mbit/s) 이고 전원 전압이 낮음 (일반적으로 3.3V) 인 경우 보호 장치는 매우 낮은 용량성 부하를 가져야 하며 마감 전압은 5V 미만이어야 합니다.보호 경로의 기생 전감은 큰 전압 과충을 초래할 수 있는 또 다른 경우도 있다.효율성을 극대화하려면 보드의 경로설정으로 보호기와 보호된 회로 사이의 경로가 최소화되어야 하며 RJ45 커넥터와 보호기 사이의 경로 길이도 최소화되어야 합니다.

4. 핫스왑 / 플러그 앤 플레이스

점점 더 많은 시스템이 전원이 켜져 있는 상태에서 언제든지 플러그나 플러그를 꽂고 뽑을 수 있도록 설계되고 있습니다. 이러한 플러그나 플러그는 신호, 전원 코드, 지선을 탑재한 콘센트에 꽂히거나 뽑혀 순식간에 변할 가능성이 높습니다.또한 시스템은 갑작스러운 전류 부하 증가 또는 감소에 맞게 전원을 동적으로 조정할 수 있습니다.

충전 과정에서 휴대전화나 다른 휴대용 전자기기가 실수로 자체 충전 시스템에 삽입되거나 뽑혔다.이것도 순식간이다.여기에는 순간적인 보호 외에도 전류 부하의 갑작스러운 증가 또는 감소에 적응하기 위해 에너지 관리가 필요합니다.

USB 인터페이스는 데스크탑 시스템과 주변 장치 간의 고속 직렬 인터페이스를 개선하도록 설계되었습니다.또한 UB 인터페이스에는 연결된 주변 장치에 전원을 공급할 수 있는 전압 공급선이 있습니다.USB 소켓에 로드가 삽입되지 않으면 소켓이 회로 소켓임을 나타냅니다.콘센트의 인체 정전기로 인한 ESD 펄스 방전은 회로 기판으로 전달되어 USB 컨트롤러를 손상시키기 쉽습니다.

이 고속 버스에서는 데이터 케이블과 전원 케이블이 모두 보호되어야 합니다.또한 에너지 관리는 USB 사양에 기록되어 있지만 ESD 보호를 제공하지 않습니다.

TVS 장치는 적절한 ESD 보호를 제공하는 데 사용될 수 있습니다.어셈블리의 배치와 경로의 길이는 여전히 중요한 설계 문제입니다.동일한 레이아웃 안내서를 자세히 살펴봐야 합니다.TVS와 보호된 회선 사이의 경로를 단축하고 TVS 장치가 가능한 한 포트 커넥터에 접근하도록 하십시오.

USB 사양에 따라 고체 회로 에너지 할당 스위치를 사용하여 에너지 관리를 수행해야 합니다.PC 호스트에서는 컨트롤러 IC에 대한 단락 전류 보호 및 오류 보고서를 제공합니다.USB 주변 장치에서는 포트 전환, 오류 보고 및 전원 전압 슬로프 다운 제어에 사용됩니다.

5. 에너지 분배

PC 전력 흐름의 변화를 10 년 전과 비교한다면 그 증가 폭은 정말 충격적입니다.게다가 클럭 빈도가 크게 증가하여 PC와 서버는 매우 높은 di/dt 환경에 있습니다.예를 들어, L이 2.5 ° H이고 C가 4 * 1500 ° F인 경우 로드의 순간은 200 mV 피크에서 피크 레벨이며 복구 시간은 50 마이크로초입니다.문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은 CPU가 수면 모드로 들어갔다가 빠르게 깨어나는 것이다.발생하는 순간적인 변화는 매 마이크로초당 20~30A의 범위내에 있으며 이는 에너지관리의 두통문제로 되고있다.

변환기의 관점에서 볼 때, di/dt의 값은 출력 콘덴서의 선택에 영향을 미치며, 더 구체적으로 말하면 콘덴서에 영향을 주는 등가 직렬 저항 (ESR) 과 등가 직렬 감각 (ESL) 이다.저주파에서 작동하는 변환기는 두 작업 주기 사이의 전하를 저장하기 위해 큰 커패시터가 필요하며, 이는 커패시터를 사용해야 한다.이러한 커패시터는 큰 커패시터를 가지고 있지만 설계자의 의도에 반하는 큰 ESR과 ESL을 가지고 있습니다.이밖에 전해축전기는 부피가 커서 표면설치기술과 치밀한 포장에 적합하지 않다.

ESR 및 ESL 값을 낮추고 생산 프로세스를 단순화하며 실제 볼륨을 줄이는 대체 방법이 있습니다.방법은 약간 높은 인버터를 사용하여 전해 콘덴서 대신 세라믹 콘덴서를 선택할 수 있으며 위의 장점을 얻을 수 있습니다.또한 멀티플렉서 솔루션을 사용하여 로드 요구사항도 공유할 수 있습니다.각 변환기는 총 전류 용량과 동일한 용량을 제공하면서 적은 수의 입력 용량을 필요로 합니다.또 다른 장점은 입력 문파 전류를 줄였다는 것이다.단상 변환 시나리오에서 입력 문파 전류는 출력 문파 전류의 절반과 같습니다.따라서 20A 시스템의 경우 입력 텍스쳐 전류는 10A입니다.그러나 예를 들어, 4상 변환기 솔루션의 경우 이 출력 전류는 4개의 변환기 간에 균등하게 분배됩니다.이제 각 전원 공급 장치는 5A이며 입력 문파 전류는 2A입니다.이렇게 하면 더 작고 저렴한 입력 콘덴서를 사용할 수 있습니다.

DellComputers(텍사스 RoundRock)는 고속 컴퓨터 및 서버 제품군을 위한 PWM(분산, 다상맥폭 변조) 컨트롤러와 역방향 직류-직류 변환기를 개발했습니다.Intel의 고급 PentiumCPU에 대한 긴급 전원 / 에너지 관리 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.그 후 Semtech는 Dell의 요청에 따라 회로를 통합했습니다.다중 위상 컨트롤러 및 동글 솔루션 후에는 보드의 연결 문제에 특히 주의해야 합니다.고주파 아래의 고전류 스위치는 접지 평면의 전압차에 영향을 줄 것이다.

회로의 고전류 부분은 먼저 배선해야 한다.접지 평면을 사용하거나 격리 또는 반격리 접지 평면 영역을 도입하여 접지 전류가 특정 영역으로 들어오는 것을 제한해야 합니다.입력 콘덴서와 고측 및 저측 드라이브의 출력 FET로 이루어진 회로에는 모든 고전류, 고속 순간 스위치가 포함되어 있습니다.연결은 루프 감지를 줄이기 위해 너비 또는 너비 및 짧음 또는 짧음이어야 합니다.이렇게 하면 전자기 간섭 (EMI) 을 줄이고 바닥에 주입되는 전류를 줄이며 더 신뢰할 수있는 그리드 회로 스위치 신호를 얻기 위해 원극 진동 벨을 최소화합니다.

두 FET의 매듭과 출력 센서 사이의 연결은 가능한 한 짧으면서 넓은 궤도여야 합니다.출력 콘덴서는 가능한 한 부하에 접근해야 한다.이 콘덴서는 빠른 순간 부하 전류를 제공하기 때문에 전기 감각과 저항을 최소화하기 위해 연결선이 넓고 짧아야 한다.

컨트롤러는 입력 콘덴서와 FET 회로에서 펄스 전류가 이 영역으로 유입되지 않도록 조용한 접지 평면 영역에 배치하는 것이 좋습니다.높음 및 낮음 접지 참조 핀은 제어 증폭기 어셈블리에 매우 가까운 위치에서 접지로 돌아가야 합니다.작은 신호 아날로그 접지와 디지털 접지는 출력 콘덴서의 접지 중 하나에 연결되어야 한다.입력 콘덴서/FET 회로 내에 접지하지 마십시오.전류 감응 저항기 회로는 가능한 한 짧게 유지해야 한다.

6. 똑똑하게 일하기

위의 예는 혼합 신호 시스템의 특정 함정을 예측하고 피할 수있는 몇 가지 방법을 설명하지만 결코 상세하지 않습니다.모든 시스템은 자신의 도전이 있고, 모든 디자이너는 자신의 독특한 장애물을 뛰어넘어야 한다.보다 까다로운 보호 작업이나 보다 엄격한 에너지 관리를 위해 올바른 구성 요소를 선택하는 것이 첫 번째 과제입니다. 동글, 동글 컨트롤러 및 TVS 보호 장치에 도전하는 데 있어 폭넓은 선택이 가능합니다.보드에 올바르게 배치하면 에너지 관리 및 보호의 차이가 표시됩니다.심사숙고한 배선과 접지평면 배치는 제3방면의 관건적인 문제이다.저압 회로 TVS

전압이 5V보다 낮을 때 전통적인 PN 결합 TVS는 실제로 전혀 작동하지 않습니다.그러나 UC 버클리와 Semtech가 개발 한 향상된 관통 다이오드 (EPD) 가 있습니다.

눈사태 TVS 다이오드의 기존 PN 구조와 달리 이 EPD 부품은 더 복잡한 n+p+p-n+ 4층 구조를 사용한다.그것은 p+와 p-층에서 빛을 혼합하여 역방향 편향된 n+p+매듭이 눈사태 상태로 들어가는 것을 방지한다.

pnp 구조 대신 npn 구조를 선택한 이유는 높은 전자 마이그레이션률과 향상된 비트 특성 때문입니다.P 기극 영역을 세밀하게 제조함으로써 얻은 부품은 2.8V에서 3.3V의 전압 범위 내에서 우수한 누출, 비트 및 커패시터 특성을 가지고 있다.

7.분탕, 입맛 돋우다

Intel의 Pentium II 사양은 500ns 내에서 전류가 5A에서 20A로 증가하고 변환율이 마이크로초당 30A여야 합니다.Semiteck SC1144 멀티태스킹 PWM 컨트롤러는 작업에 필요한 것보다 더 강력합니다.최대 4개의 역방향 직류 - 직류 변환기를 제어하여 필요한 속도와 정밀도를 제공합니다.내장된 5비트 DAC는 1.8~2.05V, 50mV, 20~3.5V, 100mV로 출력 전압을 프로그래밍하여 출력할 수 있다.

이런 다상 기술은 네 개의 정확한 출력 전압을 발생시켰는데, 그것들 사이에는 90도의 상이가 있다.그런 다음 필요한 출력 전압과 전류 용량을 얻기 위해 4개의 숫자 변조 출력을 추가합니다.

각 동글은 2MHz에서 작동하며 설계자는 전해 콘덴서가 아닌 세라믹 콘덴서를 사용할 수 있으며 작은 크기, 표면 설치 가능성, 낮은 ESR 및 ESL의 이점을 얻을 수 있습니다.