PCB 임피던스 제어: 고주파 회로에서 신호 무결성 보장

임피던스는 교류 전류가 가해질 때 전기 회로의 저항을 측정합니다. 고주파에서 전기 회로의 커패시턴스와 인덕턴스의 결합입니다. 임피던스는 저항과 마찬가지로 옴(Ω)으로 측정됩니다. 임피던스가 다를 경우 반사와 감쇠가 발생하여 신호가 저하됩니다.

고주파 아날로그 또는 디지털 회로에서는 PCB에서 전파되는 신호를 손상으로부터 보호하는 것이 필수적입니다. 실제로 100MHz 이상의 신호는 트레이스 임피던스의 영향을 받으며, 이를 적절히 고려하지 않으면 분석하기 특히 어려운 예상치 못한 오류가 발생할 수 있습니다. 다행히 임피던스 제어를 통해 설계자와 PCB 제조업체가 이 현상을 관리할 수 있습니다.

임피던스 제어와 신호 매칭이란?

임피던스 제어는 전송 단계에서 신호가 노이즈 없이 감쇠 없이 전달될 수 있도록 PCB 트레이스 치수와 위치를 기판 소재의 특성에 맞춥니다. 따라서 인쇄 회로 기판(PCB) 트레이스는 더 이상 단순한 점 대 점 연결로 처리될 수 없습니다. 트레이스는 전송 라인으로 고려되어야 하며, 신호 무결성에 대한 영향을 줄이거나 없애기 위해 임피던스 매칭이 필요합니다. 좋은 설계 관행과 접근법을 따르면 많은 잠재적인 신호 무결성 문제를 예방하거나 완화할 수 있습니다.

여기서는 임피던스 제어의 중요성, 신호 무결성 문제의 원인, 이를 피하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

전송 라인 임피던스를 결정하는 요소:

일반적으로 트레이스 임피던스는 25~125Ω 사이이며 다음 요소에 따라 달라집니다:

● 유전율의 실수 부분: 유전체 두께는 임피던스에 비례합니다. 유전체가 두꺼울수록 임피던스가 높아집니다.

● 손실 탄젠트와 분산: PCB 설계에서 손실 탄젠트는 신호가 통과할 때 유전체 소재가 열로 에너지를 잃는 정도를 측정합니다. 특히 고주파에서 신호 무결성에 영향을 미쳐 신호 감쇠를 일으킵니다. 신호 저하를 줄이기 위해 고속 및 RF 설계에는 낮은 손실 탄젠트 소재가 선호됩니다.

● 트레이스와 인근 기준 플레인 사이의 거리:  두 트레이스 사이의 거리는 임피던스에 반비례합니다. 적절한 간격은 제어된 임피던스를 유지하고 고속 및 RF 회로에서 신호 무결성을 보장하는 데 중요합니다.

● 구리 트레이스 두께와 거칠기: 구리 박 두께는 임피던스에 반비례합니다. 구리가 두꺼울수록 임피던스가 낮아집니다. 구리 두께는 패턴 전기도금 또는 적절한 두께의 기본 소재 구리 박 선택을 통해 제어할 수 있습니다.

● 트레이스 폭: 트레이스 폭은 임피던스에 반비례합니다. 더 좁은 트레이스 폭은 더 높은 임피던스를, 더 넓은 트레이스 폭은 더 낮은 임피던스를 가집니다. 더 나은 임피던스 제어를 위해 트레이스 폭을 +/-20% 허용 오차 내에서 제어하는 것이 필요합니다. 트레이스 폭 정확도를 보장하기 위해 에칭 언더컷, 리소그래피 오류, 패턴 전사 오류를 기반으로 포토마스크에 엔지니어링 보정이 수행됩니다.

따라서 보드 설계자는 고주파 신호에 대해 트레이스와 스택업 선택이 특정 허용 오차로 목표 임피던스 값을 달성할 수 있는지 확인해야 합니다. 가장 고급 전자 CAD 설계 도구는 이를 자동으로 계산합니다.

임피던스 매칭이 왜 필요한가?

PCB 트레이스의 기능은 드라이버 장치에서 수신 장치로 신호 전력을 전달하는 것입니다. 전력은 트레이스 전체 길이에 걸쳐 전파되어야 합니다. 그러나 최대 신호 전력은 PCB에서 임피던스가 일치할 때만 달성할 수 있습니다. 최대 전력 전달 정리에 따르면, 두 장치의 임피던스가 일치할 때 장치 간 최대 전력 흐름을 볼 수 있습니다. PCB 레이아웃 단계에서 특별한 주의를 기울이지 않으면 고주파 신호는 드라이버에서 수신기로 전파되면서 반드시 저하됩니다.

흔한 오해는 회로의 클록 속도가 회로가 고속으로 작동하는지를 결정한다는 것입니다. 하지만 고속 신호는 클록 신호의 상승/하강 시간, 즉 신호가 한 상태에서 다른 상태(논리 0과 논리 1)로 얼마나 빨리 변하는가와 관련이 있습니다.

PCB 트레이스 임피던스는 어떻게 계산하나?

위에서 언급했듯이 PCB 트레이스 임피던스를 결정하는 데 많은 요소가 관여합니다. PCB 설계의 전송 라인은 다양한 공식을 가질 수 있어 오픈소스 소프트웨어로는 임피던스 매칭을 위한 정확한 값을 얻기 어렵습니다. 가장 좋은 방법은 제조업체에 문의하여 교정된 임피던스 계산기 도구로 임피던스를 계산하는 것입니다.

JLCPCB 임피던스 계산기는 설계자가 PCB 트레이스의 임피던스를 계산하는 데 도움을 주는 JLCPCB의 온라인 리소스입니다. 이 도구는 신호 무결성 유지를 위해 제어된 임피던스가 중요한 고주파 회로를 설계하는 데 필수적입니다.

주요 기능:

1. 트레이스 유형 선택: 마이크로스트립, 스트립라인, 또는 차동 페어 중 선택합니다.

2. 입력 파라미터: 트레이스 폭, 트레이스 두께, 유전율, 트레이스와 기준 플레인 사이의 거리를 입력합니다.

3. 즉각 계산: 이 도구는 입력 파라미터를 기반으로 특성 임피던스의 실시간 계산값을 제공합니다.

4. 소재 특성: 유전율과 임피던스에 영향을 미치는 다양한 PCB 소재를 선택할 수 있습니다.

전송 라인 유형(예: 마이크로스트립 또는 스트립라인)을 선택하고 PCB 소재의 유전율을 입력하세요. 트레이스 폭, 두께, 기준 플레인까지의 거리를 입력합니다. 도구가 임피던스 값을 계산하여 표시합니다. 이 도구는 특히 고속 또는 RF 회로에서 임피던스가 요구 사양과 일치하도록 보장하기 위해 PCB 설계에 널리 사용됩니다. JLCPCB 임피던스 계산기는 웹사이트를 통해 이용할 수 있습니다.

임피던스 제어 방법은 PCB에서 어떤 계산을 수행하나?

트레이스가 길수록 또는 주파수가 높을수록 더 많은 임피던스 조정이 필요합니다. 이 단계에서 엄격성이 부족하면 전자 기기나 회로의 스위칭 시간이 증가하고 예상치 못한 오류가 발생할 수 있습니다. 제어되지 않은 임피던스는 부품이 회로에 실장된 후 분석하기 어렵습니다. 부품은 배치에 따라 다른 허용 용량을 가집니다. 임피던스 제어 방법은 신호 속도에 따라 임계 길이 계산을 수행합니다.

이것이 바로 트레이스 임피던스와 그 허용 오차를 PCB 설계 초기에 확인해야 하는 이유입니다. 설계자들은 부품 값의 준수를 보장하기 위해 제조업체와 긴밀히 협력해야 합니다.

임피던스 매칭 달성 방법?

잘 제어된 임피던스는 PCB 경로를 따라 모든 지점에서 트레이스 임피던스가 일정함을 의미합니다. 트레이스가 이동하는 곳이면 어디든, 레이어가 변경되더라도 소스에서 목적지까지 전체 구간의 임피던스가 동일해야 합니다.

고려해야 할 중요한 설계 기준이 몇 가지 있습니다. EMI와 관련된 반사 문제 중 많은 부분이 좋은 PCB 설계 기법으로 예방할 수 있음을 기억하세요:

1) 낮은 유전율 소재:

과거에는 일반적으로 FR4가 사용되었습니다. 하지만 고속 설계에서는 올바른 라미네이트 사용이 중요합니다. 더 낮은 유전율(Dk)의 소재 사용이 권장됩니다. 이는 최상의 신호 성능을 보장할 뿐만 아니라 신호의 왜곡이나 위상 지터를 최소화합니다. 따라서 응용 분야에 가장 적합한 소재를 선택하고 제조 메모에 이를 명시해야 합니다.

2) 신호 귀환 경로:

각 신호 경로 아래에 신호 귀환 경로를 공급할 수 있는 전원 플레인을 포함하는 것은 임피던스 제어의 필수 단계입니다. 불연속성(중요한 라우팅 아래의 전원 플레인에서 분리나 끊김 등)을 피함으로써, 플레인을 통해 흐르는 귀환 경로 전류가 신호 레이어의 경로와 동일한 물리적 경로를 따르게 됩니다.

3) 레이어 스택업:

레이어 스택업은 신호 레이어, 그라운드 플레인, 전원 플레인, 유전체 소재를 포함한 PCB의 다양한 레이어 배열을 의미합니다. 스택업은 임피던스 매칭에 중요한 신호 트레이스의 임피던스 제어에 중요한 역할을 합니다. 올바른 레이어 배열이 핵심입니다. 신호 레이어는 일반적으로 기준 플레인(그라운드 또는 전원 플레인) 인접 위치에 배치되어 임피던스를 안정화하고 제어하는 데 도움을 줍니다.

마이크로스트립이나 스트립라인과 같은 제어된 임피던스 트레이스는 트레이스 폭, 레이어 스택업, 유전체 특성을 조정하여 정밀한 임피던스 제어로 설계됩니다.

주의해야 할 사항:

● 트레이스 라인은 가능한 한 짧게 유지하고 길이를 최대한 줄이세요.

● 디커플링 커패시터의 선택과 필요한 수량, 라우팅 루프를 고려하세요.

● 신호 품질을 저하시키는 라우팅 스텁과 불연속성은 피하세요.

● 차동 페어 라우팅에서는 신호 페어의 길이가 동일하도록 하세요.

● 그라운드 기준 플레인과 전류 귀환 경로를 고려하세요.

● 불량한 부품 패키징으로 인한 인덕턴스를 고려하세요.

● 표면 마감으로 ENIG 대신 이머전 실버 사용을 고려하세요. ENIG의 니켈 성분은 손실이 크고 스킨 효과로 인해 고속 설계에 적합하지 않습니다.

임피던스 제어 검증

임피던스 제어는 PCB 제조 후 테스트 쿠폰을 사용하여 검증할 수 있습니다(테스트 쿠폰은 PCB 제조 공정의 품질을 테스트하는 데 사용되는 PCB입니다. 테스트 쿠폰은 PCB와 동일한 패널에, 일반적으로 가장자리에 제조되어 올바른 레이어 정렬, 전기적 연결, 단면을 보장합니다). 그런 다음 시간 영역 반사계(TDR)를 사용하여 임피던스를 테스트할 수 있습니다. 이후 PCB에서 특성 임피던스가 달성되었는지 여부를 나타내는 보고서가 생성됩니다.

전자 장비의 전반적인 성능과 EMC 동작은 회로 설계와 레이아웃 형상뿐만 아니라 전력 분배 네트워크에 의해서도 결정됩니다.

결론

실제 PCB 레이아웃에서 경험하는 임피던스 신호는 회로도에서 계산한 이상적인 값과 크게 다를 수 있습니다. 주된 이유는 기판의 존재와 보드의 트레이스 레이아웃입니다. 이로 인해 원하는 임피던스 레벨에서 벗어나는 크로스토크와 같은 문제가 발생합니다. 고주파에서 회로가 스위칭할 때 링잉과 같은 전원 무결성 문제가 발생할 수 있습니다. 더 높은 주파수에서는 전력 공급 네트워크의 임피던스도 최적의 용량성 동작에서 벗어나 신호 무결성과 전원 무결성 문제를 일으킬 수 있습니다.

임피던스 불일치의 원인 요소를 이해하고 임피던스 문제를 완화하거나 제거할 수 있는 설계 관행에 대한 지식을 습득함으로써, PCB 설계자는 진정한 엔지니어링 솔루션을 만들 수 있습니다. 신뢰할 수 있고 고성능인 인쇄 회로 기판으로 제조될 수 있는 견고한 설계를 구현할 수 있습니다.