PCB 신호 반사 노이즈 줄이기: 임피던스 제어와 계산 방법

디지털 신호가 한 지점에서 다른 지점으로 전달될 때 신호선의 상태가 바뀌며, 이 변화는 회로를 따라 이동하는 전자기파로 설명할 수 있습니다. 전자기파가 서로 다른 매질의 경계를 만나면 에너지 일부는 신호로 전달되고 일부는 반사됩니다. 이 과정은 에너지가 회로에 흡수되거나 주변으로 소산될 때까지 이어집니다.

전기 회로에서 이러한 경계는 보통 임피던스가 변하는 지점입니다. PCB 트레이스를 따라 이동하는 신호가 임피던스 불일치를 만나면 일부가 소스 방향으로 반사됩니다. 특히 고속 디지털 및 RF 회로에서는 왜곡, 노이즈와 데이터 오류 같은 신호 무결성 문제가 발생할 수 있습니다.

신호 반사 노이즈가 문제가 되는 이유

신호선에서 반사가 발생하면 경로에 추가 에너지가 축적되어 노이즈가 생깁니다. 반사 노이즈는 신호를 예측하기 어려운 값으로 밀어내고 결정적인 파형을 불규칙한 형태로 바꿀 수 있습니다. 따라서 임피던스 매칭을 통해 반사 신호를 줄이고 전달 에너지를 최대화해야 합니다.

반사 펄스가 다음 펄스가 발생하기 전에 소산되지 않으면 중첩 현상으로 에너지가 누적됩니다. 반사파의 위상과 진폭이 원래 신호와 맞으면 정상파가 형성되어 전송선에 큰 노이즈를 유발할 수 있습니다. 신호는 저항성 요소를 통과하면서 감쇠하므로 간단한 직렬 저항으로 이러한 기생 효과를 줄일 수 있습니다.

디지털 신호의 노이즈 분석

푸리에 정리에 따르면 디지털 파형은 서로 조화 관계에 있는 사인파와 코사인파 성분으로 분해할 수 있습니다. 상승·하강 시간이 짧은 펄스 하나에도 진폭이 작은 여러 고조파가 포함됩니다.

실제 디지털 신호는 넓은 대역폭을 가지며 일부 에너지가 회로에서 공진을 일으킬 수 있습니다. 이는 대역폭이 좁아 공진을 비교적 계산하기 쉬운 RF 신호와 차이가 있습니다.

회로 임피던스란?

저항, 인덕터 및 커패시터가 포함된 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 전체 등가 성분을 임피던스라고 합니다. 임피던스는 저항 성분과 리액턴스 성분으로 구성됩니다. 저항은 에너지를 열로 소모하며, 회수 가능한 에너지는 도체, 인덕터와 커패시터 주변의 전자기장에 저장됩니다.

임피던스는 일반적으로 기호 Z로 나타내는 복소수입니다. 실수부는 저항, 허수부는 리액턴스입니다. 커패시터가 교류에 제공하는 성분은 용량성 리액턴스, 인덕터가 제공하는 성분은 유도성 리액턴스라고 하며 임피던스의 단위는 Ω(옴)입니다.

PCB 설계의 임피던스 제어

고속 회로는 수 GHz 범위까지 동작할 수 있어 노이즈에 더 민감합니다. PCB 공정 변수에 따라 임피던스가 바뀌면 신호가 왜곡될 수 있으므로 고속 기판의 전송선 임피던스를 정해진 범위 안에서 관리해야 합니다. 이를 임피던스 제어라고 합니다. DDR, USB, SSD, 기가비트 이더넷을 비롯한 고속 디지털·신호 처리 및 고품질 아날로그 영상 회로에서 주로 적용합니다.

고주파에서는 프린지 커패시턴스와 인덕턴스 같은 기생 성분으로 회로 동작이 달라집니다. PCB 트레이스는 전송선으로 동작하고 각 지점에 임피던스가 존재합니다. 왜곡을 줄이려면 신호 경로 전체에서 임피던스를 일정하게 유지해야 합니다.

PCB 임피던스 계산 방법

전송선 임피던스는 레이어 스택업을 구성할 때 결정됩니다. 레이어 배열과 두께, 기판 소재를 정한 뒤 목표 임피던스를 얻기 위한 트레이스 폭을 계산합니다. 이 속성들은 임피던스뿐 아니라 손실과 전파 지연에도 영향을 줍니다.

온라인 전송선 계산기는 무손실 임피던스, 전파 지연과 DC 저항 등을 계산할 수 있지만, 분산과 동박 거칠기 등 실제 현상을 모두 반영하지 못할 수 있습니다.

일반 계산기는 Wadell 방정식을 사용하며 더 단순한 도구는 정확도가 낮은 IPC-2141 식을 사용할 수 있습니다. 손실 탄젠트나 분산이 계산에 포함되지 않으면 정확한 제조 임피던스를 얻기 어려우므로 제조업체의 보정된 계산 도구와 실제 스택업을 함께 확인해야 합니다.

전송선 임피던스를 결정하는 요소

유전율과 유전체 두께: 원문은 유전체가 두꺼울수록 임피던스가 높아진다고 설명합니다.

손실 탄젠트와 분산: 손실 탄젠트는 신호가 유전체를 통과할 때 열로 소모되는 에너지와 관련됩니다. 고주파에서 신호 감쇠에 영향을 주므로 고속 및 RF 설계에는 손실이 낮은 소재가 유리합니다.

트레이스와 기준면 사이 거리: 기준면까지의 거리는 제어 임피던스와 신호 무결성에 영향을 줍니다.

동박 두께와 거칠기: 원문은 동박이 두꺼울수록 임피던스가 낮아진다고 설명합니다. 동박 두께는 패턴 도금이나 기재 동박 선택으로 관리할 수 있습니다.

트레이스 폭: 트레이스가 좁을수록 임피던스가 높고 넓을수록 낮아집니다. 원문은 더 나은 임피던스 제어를 위해 선폭을 ±10% 공차 안에서 관리해야 한다고 설명합니다. 에칭 언더컷, 노광 및 패턴 전사 오차를 고려해 포토마스크를 보정할 수 있습니다.

신호 반사 노이즈를 줄이는 방법

1. 트레이스 임피던스 계산

트레이스가 비아나 부품 패드를 통과한 뒤에도 임피던스를 일정하게 유지하려면 트레이스 폭과 간격을 계산하고 경로 전체에 일관되게 적용합니다.

2. 트레이스 일관성 유지

차동 페어와 싱글 엔드 트레이스의 폭, 간격, 다른 도체와의 거리를 일정하게 유지합니다. 임피던스 제어 페어 위로 임의의 트레이스를 배선하면 임피던스 변화와 반사 지점이 생길 수 있습니다.

3. 반사 지점 감소

임피던스가 급격하게 변하는 불연속부의 수를 줄입니다.

4. 기판 가장자리의 비아 확인

비아가 신호 레이어를 넘어 사용하지 않는 레이어까지 연장되면 임피던스가 갑자기 바뀔 수 있습니다. 원문은 비아 구간을 약 50~150 Ω, 공기를 약 377 Ω으로 예시하며 기판 가장자리 전환부가 반사 지점이 될 수 있다고 설명합니다.

5. 비아 백드릴

사용하지 않는 레이어의 비아 스텁을 백드릴로 제거하면 고속 논리 신호의 전환 품질을 개선할 수 있습니다.

이미 발생한 반사 노이즈 완화

상승·하강 시간이 빠른 드라이버 가까이에 직렬 댐핑 저항을 배치할 수 있습니다. 스너빙 저항이라고도 하며 반사파가 저항을 통과할 때마다 감쇠됩니다. 원문은 일반적으로 100 Ω 미만의 저항을 클록 소스나 GPIO 같은 구동 신호원 가까이에 배치한다고 설명합니다. 목표는 과도한 오버슈트와 링잉 없이 신호가 한 번에 목표 논리 레벨로 올라가도록 감쇠 회로를 구성하는 것입니다.

반사 특성 계산

임피던스와 반사를 나타내는 주요 지표는 전압 반사 계수(VRC), 전압 정재파비(VSWR), 회복 손실(Return Loss, RL)입니다.

전압 반사 계수(Γ)

반사파 진폭과 접합부에 입사하는 파동 진폭의 비율입니다. 크기는 전송선 길이가 아니라 부하 임피던스와 특성 임피던스에 따라 결정됩니다.

온라인 계산기에 특성 임피던스 Z0와 부하 임피던스 ZL을 입력할 수 있습니다. 반사 계수는 단락 부하에서 -1, 개방 부하에서 +1, 정합 부하에서 0이 됩니다. V-는 반사파 진폭, V+는 입사파 진폭을 의미합니다. 임피던스 변화의 크기, 신호 상승 시간과 좁은 선로에서의 지연이 반사에 영향을 줍니다.

VSWR

전압 정재파비(VSWR)는 RF 전력이 부하로 얼마나 효율적으로 전달되는지와 시스템으로 반사되는 신호의 정도를 나타냅니다. 전달파와 반사파의 비율이며 값이 높을수록 전송선 효율이 낮고 반사 에너지가 큽니다. 범위는 1에서 무한대입니다.

회복 손실(RL)

회복 손실은 반사로 시스템에 돌아오지 않고 부하에서 소모되는 전력의 정도를 dB로 나타냅니다. 원문은 100% 반사에서 0 dB, 이상적인 정합에서는 무한대로 설명합니다.

JLCPCB 임피던스 계산기

PCB 전송선 구조마다 계산식이 다르므로 제조에 필요한 정밀한 임피던스 값은 제조업체의 보정된 계산 도구로 확인하는 것이 좋습니다. JLCPCB 임피던스 계산기는 고주파 및 제어 임피던스 설계를 위한 온라인 도구입니다.

• 마이크로스트립, 스트립라인 또는 차동 페어 선택
• 트레이스 폭·두께, 유전율과 기준면까지의 거리 입력
• 입력값에 따른 특성 임피던스 실시간 계산
• 유전율과 임피던스에 영향을 주는 PCB 소재 선택

전송선 유형과 PCB 소재 유전율, 트레이스 폭과 두께, 기준면까지의 거리를 입력하면 계산된 임피던스를 확인할 수 있습니다. 고속 및 RF 회로에서 요구 사양과 일치하는지 검토할 때 활용하십시오.