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Embedded 기술/하드웨어 정보

[PCB #1] PCB 설계란? (EMI에 강한 설계)

Eddy 2017.06.29 11:20
크리에이티브 커먼즈 라이선스
Creative Commons License

해당 자료는 아래 링크에서 발췌한 것입니다. (원본)

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=boomwin&logNo=220205988803


원본 데이터에서 보충할 부분들이 있습니다.

보충되는 부분을 빨간색으로 처리하였습니다~




안녕하세요.


시간을 거듭하고 기술에 발전이 일어날 수록, 고속시스템으로 바뀌고 그에 따라 주파수가 점점 높아집니다.

이에 대응하여 PCB 설계기술이 더욱 대두되고 있는 것이 사실입니다.


아래 내용은 PCB설계에 대해 전반적으로 설명해놓았으며, 숙지하시면 매우 좋은 자료들이 많습니다.


원본 링크에서 퍼온 자료가 너무 길어서 줄여서 Step# 1과 Step# 2로 나뉘었습니다.

참고해주세요~




PCB설계 란


 PCB란 Printed Circuit Board의 준말이며, 인쇄회로기판이다. 인체로 비유하면 피가 흐르는 혈관과 신경라인을 만드는 것이다.

 일반적으로 PCB라고 하면 Rigid type의 PCB 즉 Rigid PCB를 말한다. 가전제품을 뜯어보면 초록색 판이 바로 이 Rigid PCB이다. 보통 초록색인 이유는 PSR INK색이 초록색이라서 그런데 최근에는 빨간색, 노락색, 흰색, 검정색 등 PSR INK도 다양한 색상이 나온단다.

 일본에서는 PCB를 PWB라고도 한단다. PWB는 Printed Wired Board의 약자로 인쇄배선기판 정도로 알고 있으면 된단다.


>> 위 설명은 무척 어려운 말이다. PCB 설계란 쉽게 표현하자면, 절연기층(절연기판) 위에 도선(도체)를 배치(도선 or 도포) 하는 기술이다.


PCB 소개


 PCB는 여러 종류의 많은 부품을 페놀 수지 또는 에폭시 수지 평판 위에 밀집 탑재하고, 각 부품들을 서로 연결하는 회로를 수지 평판 표면에 고정시킨 회로 배선 기판이라고 보면 된다.


>> 에폭시란, 열경화성 플라스틱의 종류로 물과 날씨 변화에 잘 견디고, 빨리 굳으며, 접착력이 강하다.

>> 유리 섬유란, 단열성이 뛰어나고 녹슬지 않는데다 가공이 쉽다.

>> 기본적으로 PCB는 위 2가지 성분을 혼합하여 FR-4라고 칭하여 제작한다.

>> 위 2가지를 혼합하며 PCB에는 이러한 종이 성분(유리 섬유)이 있기 때문에 손으로 압력을 가하면 휘어진다.


 PCB의 역할은 크게 두 가지가 있는데 하나, 회로배선 둘, 부품지지이다.

 전자부품에서 DIP type, SMD type을 많이 들어 봤을 것이다.

 DIP type은 Dual In-line Package의 준말이며, 실제 제품에는 크기가 중요하지 않은 큰 제품 TV나 세탁기, 에어콘 등에는 비교적 가격이 싸고 고용량을 가져갈 수 있으므로 사용하고 있다. DIP type는  PCB 기판을 관통하여 설계 된다. 이 때문에 Through Hole을 형성하게 되고 설계시에 많은 제약을 준다.


>> PCB의 Through hole(via)은 Top layer와 bottom layer를 연결해주는 통로로서 역할을 한다. 

>> 또한, 빌드업 기술이라는 것이 있어 기판의 필요한 층에만 홀을 가공할 수 있는 기술도 있다.

>> Through hole(via)은 반드시 고속 신호 근처에 배치하면 안된다. (Noise의 근원)


 SMD type은 Surface Mount Device의 약자로 넓은 의미로 표면실장 부품을 실장하는 PCB의 제조에 필요한 생산설비 및 부대장치, 관련 설비를 뜻한다. SMT라는 말도 있는데 SMT는 Surface Mount Technology의 약자로 실장기술을 뜻한다. SMD는 장비를 통칭, SMT는 실장 기술!


>> 작은 형태의 모듈이 등장하면서, SMD Type의 수동소자(R,L,C)를 많이 사용하게 되었다.




PCB 분류

 PCB의 분류 및 용도는 정형화되고 규정된 방법이 없다. 하지만 용도나 제작 자재, 제작 기법등에 따라 일반적으로 분류를 할 수 있으며, PCB제조사들은 제작 방법에 따른 분류와 기종에 따른 분류를 혼용하고 있다.

 층 수에 따라 분류를 하자면 Single Side PCB, Double Side PCB, Multi Layer PCB 로 분류 할 수 있다.

 형태에 따른 분류를 하자면 Rigid PCB, Flexible PCB, Rigid-Flexible PCB 3가지로 분류 가능하다.


>> PCB는 크게 단면(Single Side), 양면(Double Side), 다층(Multi Layer)가 존재한다.

>> 단면은 한쪽 면에만 전기회로가 형성된 PCB. (페놀 계열 재질)

>> 양면은 2개의 층에 전기회로가 형성된 PCB. (양쪽 부품 실장 가능(에폭시 계열 재질))

>> 다층은 4개 이상 층에 전기회로고 형성된 PCB. (에폭시 계열 재질)



서로 반대의 성질을 가진 L성분과 C성분이 존재할 때 같은 복소수 값을 가지며 두 성분의 합이 ‘0’이 될 때, 공진이 발생. 즉 두 에너지 성분은 존재하는데, 임피던스로 보면 두 개의 합이 0이 되어 마치 없는 것처럼 보이지만 에너지는 보존되고 있음.


>> 모든 도선(도체)에는 저항성분이 존재한다. 저항 성분이 존재한다는 것은 "L"값이 존재한다는 것이다.

>> L은 인덕턴스로, L 값이 커지면 임피던스도 커진다.

>> 임피던스가 커지면 주파수는 흐르기 힘들고 다른 기기와 연결 및 접촉 시 이상 문제를 야기할 수 있다.


임피던스란 ?

교류저항. 일반적인 저항 값 R에, 복소수의 jX를 첨가하면 Z(Impedance)가 된다. 주파수에 따라 달라지는 저항이라고도 함.


임피던스란 말은 19세기 AC회로의 복소수 전압과 전류비를 표현하기 위해 최초로 사용


전송선로는 R로 표현. 선로 즉 배선 자체가 저항성분을 뛰는 것이기에 Impedance도 저항의 일부 혹은 저항이라고 봐도 틀린 말은 아니다.

하지만 Impedance수식을 보면 알 수 있듯이. 임피던스는 L과 C로 표현되는 부분. 즉 주파수 성분을 갖고 있다. 그래서 주파수 성분을 갖는 저항이다라고  알고 있는 것이 더욱 정확한 말이다.


즉, 실제로는 위와 같은 회로로 표현 할 수 있는 L과 C성분도 존재한다.


>> 모든 전송 선로는 R, L, C의 성분이 존재한다.

>> PCB 배선으로 사용하는 재질이 "구리"이다. 구리는 도체이기 때문에, 그것만으로 R성분과 L성분이 존재한다.

>> 즉, 이말은 주파수가 낮으면 L성분이 작고 R성분이 커지며 이를 임피던스가 작다. 라고 표현한다.

>> 그리고 주파수가 높으면 L 성분이 커지고 R 성분이 작아진다. 이를 임피던스가 크다. 라고 표현한다.




공진과 임피던스의 관계?

공진이란 특정 주파수의 에너지가 집중되는 현상이고, 그로 인해 주파수에서는 입력임피던스가 커진다는 사실.


Resonance = High Impedance


입력 임피던스가 높다는 사실은 작은 전류 성분의 Noise가 발생하더라도 다른 주파수보다 큰 전압 Noise 성분으로 나타난다. 그래서 불필요하게 높은 임피던스는 그 주파수에 Noise가 쉽게 발생한다는 뜻.

PCB Noise 해석을 위해서는 입체형상의 구조와 크기 및 재질을 그대로 이용하여 가장 원초적인 전자기 수식인 Maxwell equation으로 풀어냄으로 전자장 해석을 통한 공진주파수를 찾아낼 수 있다.


>> 임피던스가 높아졌다는 말은, L성분이 높아졌다는 의미이다. 이 말은, L성분을 가진 배선이 길게 형성되었다고도 표현할 수 있다.

>> 여기서 높은 임피던스를 줄일 수 있는 방법으로는, 배선을 짧게 구성해주는 방법과, Capacitor를 부착하는 방법이 있다. (Decoupling)


signal integrity, power integrity


모든 선로가 하나의 Inductor이고, Resistor이면서 모든 선로와 선로 사이의 공간은 Capacitor라는 개념이 필요.


>> 위 개념이 매우 중요하다.


모든 선로는 Inductor이다. 선로가 길어지면 그 회로 주변에 자기장이 생성되고, 이렇게 생성된 자기장이 교류 성분의 흐름을 막게된다.

모든 금속과 금속 사이는 Capacitor이다.


>> 모든 도선(도체)와 도선(도체)사이에는 Capacitance가 존재하여, 서로 간섭 영향이 생길 수 있다.


Power Integrity(전원무결성)

SSN은 Simultaneous Switching Noise의 약자인데. 동시에 Switching될 때 생기는 Noise라는 의미이다.

PDN은 Power Distribution Network의 약자인데, PCB의 Stackup이나 Decoupling Capacitor의 Mount Pad 혹은 Plane Design이 어떻게 되어 있느냐에 따라 발생될 수 있는 Power Drop이나 Ground Bounce를 말한다. 일종의 Power Noise이다.


>> Ground bounce는 해결하기 매우 어렵다. 따라서, 최대한 Ground bounce가 생기지 않게 설계를 하는 것이 중요하다.




Decoupling Capacitor 배치?

일반적으로 낮은 주파수대의 Noise는 큰 용량의 Capacitor(전해, 탄탈)로 Noise를 Filtering해준다. 간혹 전원을 공급해주는 IC의 한 PIN에 여러 종류의 Capacitor가 배치되어야 하는 경우가 있는데 이럴 때는 가장 용량 값이 큰 Capacitor를 부품에 가장 가깝게 배치.


>> 더욱 중요한 것은 로직 IC의 근처에 EMC, noise 방지를 위해 반드시 Decoupling Capacitor를 부착한다는 것이다.

>> 고주파 성분을 Filtering 하기 위해 로직 IC의 바로 앞에 Ceramic capacitor를 부착해주고, 

>> 그 다음에 저주파 성분 제거를 위해 전해 or 탄탈 Capacitor를 부착한다.

>> Ceramic Capacitor는 100nF(0.1uF)을 많이 사용하는데, 그 이유는 10 ~ 40Mhz 정도의 공명주파수를 가지고 있기 때문이다.

>> 이 주파수는 1 ~ 수백 Mhz 대역의 중심부에 있기 때문에 자주 사용하는 주파수 대역을 거의 커버가 가능하다.

>> 전해 Capacitor는 주파수 특성이 낮기 때문에, 1Mhz 이하의 주파수 대역을 커버하여 제거할 수 있다.


>> 만약, 캐패시터를 부착했음에도 불구하고 Noise가 있다면, 추가적으로 Capacitor를 부착해주면 된다.


>> 0.01~0.1uF(세라믹 콘덴서) --> 수백KHz~수10MHz의 노이즈 디커플링
>> 10 ~ 1000uF(전해 콘덴서) --> 수Hz~수십KHz의 낮은 주파수 디커플링





이 공식에서 보듯이 L값은 작을수록 좋고, C값은 클수록 좋다. Loop가 크게 형성된다는 것은 Power Noise에 취약하다는 의미가 된다. Loop 면적만큼 L값이 존재하기 때문이다.


>> 모든 회로든 Loop가 형성되어 있다. Loop는 잘못하면 안테나가 되어 버린다. 그러면 이로인해 방사 및 전도가 쉽게 발생하게 된다.

>> Loop에 면적만큼 L값이 존재한다는 의미는 그만큼 임피던스가 높아지기 때문이다.

>> 만약, 저주파 사용 회로라면 이는 큰 의미가 없다.

>> 근데, 고속 신호선을 사용하는 회로나, RF 회로에서는 임피던스가 크다는 것은 매우 치명타이다.

>> 그래서 Loop를 최대한 제거하는 것이 좋다.




IC 근처에 Decoupling Capacitor를 배치하면 위 그림과 같이 Decoupling Capacitor에 축적된 전원을 가져와 사용할 수 있으므로 멀리 있는 전원 IC까지 Loop가 형성되지 않게 되어 Noise가 제거 된다.


>> 위 설명처럼 로직 Ic에 혹은 전원단에 캐패시터를 부착하는 이유는 Loop면적을 최소화할 수 있다는 의미를 가진다.

>> 다시 말하지만, Loop 면적을 최소화 한다는 것은 L 값을 최소화 하는 것이고, 이는 임피던스 최소화에도 깊은 연관이 된다.

>> 위 회로는 로직 Ic 바로 앞에 Capacitor를 부착함으로써 Loop면적을 최소화 시킨다.

>> 그러면 최소화된 Loop 면적으로 인해 작은 L 값을 가지게 된다. (그만큼 방사가 적어진다.)




다음에 Step2에서는 EMC에 관한 설명과 PCB 전체적인 설계 방법에 대해 논의해보겠습니다.



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