[PCB #2] PCB 설계란? (EMI에 강한 설계)

안녕하세요.

Step1에 이어 Step2에 대한 설명을 이어가도록 하겠습니다.

Step1에서는 임피던스의 소개 및 Decoupling Capacitor에 대한 설명을 하였습니다.

Step2가 더 중요한 내용들이 많으니깐, Step2를 눈여겨보시면 될 것 같아요.

감사합니다 ~

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Step 1 자료는 아래 링크에서 확인 가능합니다.

[PCB #1] PCB 설계란? (EMI에 강한 설계)

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그리고 추가로 포스팅한 자료가 있습니다. 아래 내용도 같이 참고하면 좋을 것 같습니다 ^^

[PCB #3] PCB VIA 전류 허용치와 역할(EMC)

PCB패턴 굵기에 따른 전류 계산

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EMC 대책 설계

EMC는 Electromagnetic Compatibility의 약자로 전자파 적합성, 전자파 양립성이다. 주변 환경에 대한 전자파 간섭의 허용 범위를 준수하면서도 기능은 완벽하게 수행하는 능력, 즉 전자기적 주위 환경에 영향을 받지 않고 다른 것에 영향을 주지도 않는 것의 총칭.

즉, EMI(전자파 간섭)발생이 적고, EMS(EM 감수성 혹은 민간성)가 적거나 내성(Immunity)이 상한 상태.

EMI?

방사장해, 방사간섭, 복사장해 등을 지칭하는 말로 전자파방해로 전자기기에서 방출되는 전자파. 쉽게 ‘전자파장애’. 전자파가 다른 기기의 기능에 장애를 주는 것으로 회로 기능을 악화시키고, 기기가 오작동을 일으킬 수 있는 불필요한 신호.

CE(Conducted Emission : 전도 방출) :  주로 30MHz 이하에서 발생 관련 규격으로 전자파가 신호선 또는 전원선 같은 매질을 통해서 전달되는 전자파 잡음을 말한다.

RE(Radiated Emission : 방사 방출) : 주로 30MHz 이상에서 발생하며 전자파가 공기중으로 방사되어 전달되는 전자파 잡음을 말한다.

>> 사실 EMI 문제중에는 RE가 가장 많다. 이는 제대로된 GND 설계만 해주면 대부분 해결 된다.

>> 사실 RE가 Fail이 되면 CE에도 영향이 갈 수 있고, 반대로 CE가 Fail되면 RE에도 영향이 갈 수 있다. 이는 Harmonics의 영향이 있다.

>> CE는 보통 전원단 GND, RE는 고주파 부분의 GND 차폐가 안되면서 생기는 문제다.

>> 그래서 보통 CE의 경우 GND Edging이나 GND 도포가 미흡한 부분을 VIA를 이용해 보강하면 해결하는 경우가 있다.

>> RE는 고주파이기 때문에 더욱이 Edging이나 GND 도포가 잘되어 있어야 하며, VIA를 일정하게 잘 배치해야 한다. 

EMS? 

전자파 감수성/내성을 뜻한다. 기기가 외부로부터 전자파 간섭을 받을 때 영향 받는 정도를 나타내는 것이다. 즉 전자파 감수성 또는 민감성을 나타낸다. 정확히 말하자면 전자파 간섭으로부터 정상적으로 동작할 수 있는 능력인 immunity(내성)과는 반대 개념이지만, 일반적으로 동일한 개념으로 사용되고 있다.

CS(Conducted Susceptibility) : 전도내성을 말한다. 외부케이블, power cords, I/O interconnects등을 통해서 들어오는 전자파 간섭에 견디는(정상적으로 작동하는) 정도를 말한다.

RS(Radiated Susceptibility) : 방사내성을 말한다. 자유공간으로부터 전파되어 들어오는 전자파간섭에 견디는 정도를 말한다.

>> 사실 EMI보다 중요한 것이 EMS다. EMI 발생전에 미리 예측하여 문제를 대비할 수 있다는 것이 가장 좋은 것 아닌가?

>> 미리 예측하여 문제를 알기 위해 다음 내용들을 살펴보자.

PCB에서 EMI문제를 일으키는 Radiation Source?

● Inner Layer EMI : 주요 Signal이 외층이 아닌 내층(Inner Layer)에 있을 경우 발생하는 EMI Radiation.

● IC EMI : Chip 자체가 갖는 EMI Radiation. 어쩔 수 없이 EMI Issue를 가져갈 수 밖에 없는 영역.

● Power Trace EMI : 전원 라인에 의한 EMI Radiation.

● VIA EMI : 설계 중에 발생하는 VIA에 의한 EMI Radiation.

● Coupled EMI : Signal 끼리 영향을 줄 때 생기는 EMI Radiation.

● Common Mode EMI : 기타 기본적으로 발생하는 EMI Radiation.

              

PCB에서 EMI문제를 해결하는 대책 5가지?

Source : PCB Design, 회로설계, 부품의 선택 등

접지 : PCB의 접지, 샤시 사용 등

배선 : 제품내의 배선 방법, Connecting 방법 등

쉴딩 : 샤시, Case 등의 재질, 차폐막, 사용 등

Filtering : 각종 필터, Bead, Core

위 5가지 대책 방법 중 최우선적으로 고려해야하는 사항은 Source원!

Source원이라고 하면 PCB자체를 의미한다고 볼 수 있다.

2OH-Rule

Power plane은 가장 가까운 Ground plane보다 두 층간 Gap을 H라고 할 때, Power plane이 Ground plane보다 20H(20배)만큼 작게 해주어야 한다는 Rule이다. 20H Rule을 사용하면 PCB의 고유 자기 공진주파수가 상승하는 효과를 볼 수 있다.

>> 사실 점점 갈수록 고속화되어가고 배치 밀집도가 높아지는 현실속에, 20H를 지키는 것은 어렵다. 

>> 따라서 GND plane을 power plane보다 어느정도 크고 넓게만 하면 될 것이다.

>> 최근에는 이걸로 부족하기 때문에 VIA를 많이 이용한다.

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Ground 접지

Serial 단일점 접지 :　1Mhz 이하의 Clock 속도를 이용한 저주파 시스템 설계 시에 사용할 수 있다. 하지만 가능하면 이런 설계는 지양하는 것이 좋다. 설계공간에 여유가 있다면 Serial 단일점 접지 설계는 추천하지 않는다.

Parallel 단일점 접지 :　오디오나 Analog신호, 60Hz 전력을 사용하는 시스템에 사용하는 설계이다. Serial 단일점 접지 설계보다는 Ground 효과를 많이 가져갈수 있는 설계 방법이다.

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다중점 접지 : 10Mhz 이상의 Clock 속도를 이용하는 고주파 시스템의 Ground 설계에는 필히 다중점 접지 방법으로 설계해야 한다. Ground를 망구조로 하는 것이 더 좋다. Ground 의 배선은 두꺼울수록 좋다.

>> 고속신호일 수록 return current path가 빨리 지나가야하기 때문에 다중점 접지를 사용하여, GND path 경로를 빠르게 만들어준다.

>> 1점 접지라고 불리는 GND한 라인에 모든 수동/능동 소자를 묶여 연결하는 방식은 전원회로에 많이 사용된다. ex)SMPS 브릿지회로나 정류회로.

>> 다중 접지는 고주파인 디지털회로에서 가장 많이 사용되는 기법이다.

Plane의 연속성

일반적으로 Plane으로 Ground를 설계하면 Signal 배선이 Ground의 연결을 방해. Ground는 최대한 넓은 면적으로 설계되는 것이 좋고, Ground Plane에는 Signal이 배선되지 않도록 하는 것이 중요. Ground도 전원의 한 종류로 전위차가 발생하여 Noise원이 되는 악영향을 주기도 한다.

>> 추가로, Analog와 Digital GND는 반드시 분리해야 한다.

>> Digital과 Anlaog를 공통 접지에 연결하게 된다면, Digital에 의해 노이즈에 약한 Analog 성분이 틀어지게 된다.

>> 즉, 이는 Digital 성분의 노이즈가 Analog 성분에 영향이 가면 매우 치명타라는 것이다.

>> 그래서 반드시 Digital과 Analog의 GND는 반드시 분리한다.

>> 필자는 BEAD를 이용해서 Digital과 Analog를 분리한다.

>> 만약, 모듈의 배선밀도가 높거나, 공통 GND를 가야하는 상황이라면 1점 접지 방식을 사용하면 된다. (아래 링크)

>> http://www.ground.co.kr/board/print.php?board_id=newsletter&no=109

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PCB 설계 방법

Data sheet 보는 방법

Dimension

● 부품의 type check

● 부품의 type에 따른 size, pad size, pin pitch, ex-pad 유무 등 정보 확인

● 부품의 특징 파악 : Impedance에 대한 정보, Input 및 Output 전압 및 전류

● 만약 Layout에 대해서 Recommend 제공시 참고 하여 설계

용어 정리 Pattern : PCB 설계 시 부품 간 선 연결을 시키는 전기적 신호가 있는 선. (도체) Pad : 부품의 핀을 PCB에 장착시키기 위한 영역 (납을 묻힐 수 있는 공간) Ex-pad(Exposed Pad) : 주로 열이 많이 발생하는 부품에 사용, 방열을 위해서 부품의 배면을 board와 접촉시키는 pad. Impedance : 교류 저항. (주파수를 억제하는 저항) Layout : 부품의 배치 Stack-up : PCB 제조 시 적층 구조. 유전율(dielectric constant) : 비유전율, 측정체와 진공의 유전율의 비. 유전율이 작을수록 신호의 처리속도가 빨라지고 data 손실이 작아진다.

Library 제작 방법

부품의 외형 : data sheet에 제공되는 정보 실제 크기의 0.5mm 내외로 키워주는 것이 좋음.

if)  -> 0.189는 inch 단위, 4.80은 mm 단위. 위는 min, 아래는 Max

BGA Library

BGA의 경우 다른 부품과 틀리게 숫자로만 표기가 되지 않고, A1, A2, ... 이러한 방식으로 알파벳+숫자로 표기된다.

BGA는 pad라는 말을 쓰지 않고 ball이라는 용어를 사용한다, 이유는 pin 들이 하나의 구슬과 같이 생겨서 붙기 때문이다.

ball size는 data sheet제공 되는 실제사이즈의 80% 정도로 설정.

Library 

Silk screen Top -> pad 설정

Through hole이 사용되는 Dip 부품의 경우는 Top, Bottom, Solder Mask Top, Solder Mask Bottom에 pad를 추가로 pads에서 사용되는 기능

smd type의 경우는 plated 항목의 check를 해제 시키고 dip type의 경우에는 check해준다.

plated? 

말 그대로 drill에 대한 도금

능 type이나 NTH(Non-Through Hole) 등은 drill이 없거나 홀 속 도금이 필요하지 않으므로 check 하지 않는다.

용어 정리 Silk Screen Top/Bottom : PCB 상에 사용되는 문구나 부품의 외각 선 등으로 활용이 된다. 그 외에 short 방지 등을 위해 silk를 도포하는 경우도 있다. Solder Mask Top/Bottom : PCB 상에  PSR이라는 보통 녹색으로 되어있는 ink를 PCB에 덮어주고 short등을 방지해주는 역할을 하는 코팅물질로 해당 영역은 제외하라는 뜻으로 사용된다. Paste Mask Top/Bottom : SMD 부품이 있는 경우는 Reflow하기 위해서 Metal Mask라는 도구를 사용하게 되는데 해당 도구를 만들기 위해 필요한 부분으로 해당 부분에 Solder 크림을 올려서 Reflow 공정에서 부품을 접촉시키기 위해 사용. Solder 크림 : SMT 작업 시 SMD 부품을 접착시키기 위해서 끈적한 solder 물질을 Metal Mask를 통해서 해당 영역에 도포하여 열을 통해 녹여서 부품과 접착시킬 수 있는 화학물질을 말한다. Metal Mask : chip이 접착될 부분에 홈을 만들어 solder 크림이 해당 부분에 도포되도록 만든 기구를 말한다.

Layout(부품 배치)

회로 설계자의 의도에 맞게 배치.

특정 부품의 경우 guide를 준수.

회로를 보면서 작업.

기구 도면과의 연관성 파악.

1. PCB CAD program에 올린 후 기구적인 사양들(pattern에 대한 금지 구역 설정, jack류, screw hole, connector 등의 위치 설정)부터 배치

2. block별 배치

3. 수정 보완

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DC-DC회로

● 입력 전원의 그라운드와 출력 전원의 그라운드 그리고 스위칭 IC의 그라운드가 넓고 하나로 연결 -> path가 짧아야 한다.

>> GND를 도포하는 이유는 전원 안정화이다.

>> 근데, 무턱대고 GND를 넓고 하나로 연결하면 위험할 수 있다.

>> Analog, Digital GND가 있으면, 반드시 분리해줘야 하고, GND는 반드시 Plane화 해야한다.

>> Plane화라는 말은 Copper Foil을 패턴이 아닌 Fill로 채우라는 의미로 필자는 5mm 굵기 이상을 Plane화로 보고있다.

>> GND를 배선으로 한다면, 이는 Noise의 근원이 된다. GND 크기가 위치에 따라 달라지게 되면 전류 소비 허용량이 달라지기 때문에 방사가 일어난다.

>> Digital 회로에서 GND는 path가 짧은 것이 좋다. (return current path가 짧으면 좋음)

● by-pass capacitor는 전원 핀 가까이 배치.

● 각각의 inductor는 멀리 배치하면서 방향성이 같지 않도록 90도로 배치 -> 상호인덕턴스를 상쇄

>> return current path는 저주파의 경우 저항이 낮은 곳으로 형성된다. (통상적으로 제일 짧은 path 중 저항이 낮은 경로로 형성된다.)

>> 고주파의 경우 임피던스가 낮은 곳으로 형성된다. (통상적으로 신호 라인 바로 아래로 따라가며 생긴다.)

>> 만약 Via, pad 등으로 return path가 잘리게 되면,(return path가 흐르는 경로가 없어지면) 

>> 고주파는 다른 image plane을 찾아 return path가 연결되게 된다.

>> 이 때 형성도니 image plane이 운 좋게 GND plane이면 문제가 되지 않지만,

>> Power plane이나 신호 라인이 return path가 된다면 crosstalk 등 각종 노이즈가 발생하고, EMI에 문제가 생긴다.

전원 회로

capacitor의 역할?

MLCC 등 용량이 작은 Cap들은 고주파 Noise를 제거.

>> Ceramic Capacitor가 고주파 특성에 좋다.

>> Decoupling과 Bypass CAP의 차이를 이해하고 사용하는 것이 바람직하다.

E-cap 등 용량이 큰 Cap들은 저주파 Noise를 제거.

>> 전해 Capacitor는 고주파 특성이 좋지 않기 때문에 저주파를 제거한다.

>> 탄탈 Capacitor는 고주파 특성이 좋다. 그래서 탄탈을 사용하면 매우 좋지만, 전해 Capacitor에 비해 매우 비싸다.

● MLCC도 서로 다른 cap들이 있다면 작은 값에서 큰 값으로 배치.

>> 반드시 Ceramic Capacitor를 먼저 배치하고, 전해 Capacitor를 배치한다. ex) 보통 100nF이 Decoupling CAP

● 입력의 경우 capacitor를 가까이 배치해주는 것이 좋음,

>> Decoupling Capacitor를 입/출력 바로 앞에 배치하는 것이 가장 좋다.

>> 또한 반드시 IC 또는 커넥터 입/출력 시 패턴이 Decoupling Capacitor를 통과 후 패턴이 연결될 수 있도록 해야한다.

pull-up/pull-down

pull-up/pull-down은 100%는 아니겠지만 대부분 중요한 부분이 아니다. 부품의 특성상 연결만 해주면 되는 부분이니 설계를 할 때 빼 두었다가 다른 중요한 부품들을 먼저 배치 후 마지막에 배치.

>> Pull-up/down은 보통 Floating을 방지하는 용도로 많이 사용된다.

>> 그리고 배선이 긴 신호선에 빠르게 전원을 공급하기 위해 사용된다.

>> 사실 멀어져도 상관없다. 전류를 많이 소비하는 구간이 아니기 때문에 노이즈에 영향이 적다.

Crystal 회로(X-tal)

IC와 최대한 가깝게 배치. 가능한 via 없이 routing이 되게끔 배치.

인접 층에 pattern이 지나가지 않도록 하는 것이 좋다.

>> Crystal, OSC(오실레이터)는 IC에 최대한 가깝게 배치하는 것은 경우에 따라 다르다.

>> BGA 타입의 경우 Crystal, OSC를 가깝게 부착하면 배선 공간이 나오지 않는다.

>> Crystal, OSC를 설계하는 것에서 가장 중요한 것은 Via없이 직선으로 배선을 하게 하는 것이다.

>> 그리고 Crystal, OSC바로 아래에는 반드시 GND층을 형성해야한다.

>> 이들은 고속신호이기 때문에 return current path를 확보해야하기 때문에, 바로 아래 GND를 형성하여 특성이 좋게해야 한다.

용어 정리 wire harness : 일반적으로 사용되는 cable FFC(Flexible Flat Cable) : 평행한 여러 개의 cable을 얇고 납작하게 만든 cable pull-up/pull-down : 저항에 VCC를 연결해 주는 것을 pull-up resistor, 저항에 그라운드를 연결해 주는 것을 pull-down resistor. by-pass capacitor(de-coupling capacitor) : IC 스스로 발진하거나 오동작을 일으키는 것을 막아주기 위해서 달아주며, IC와 가까이 위치해야 하며, 고주파 ripple(noise)을 막아주는 역할을 한다. MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor) : 일반적인 chip capacitor를 말하며, 금속판 사이에 전기를 유도하는 물질을 넣어 전기를 저장했다가 필요에 따라 안정적으로 회로에 공급하는 기능을 말한다. 상호인덕턴스 : 두 inductor가 있다고 가정을 할 때 각각의 전류에 의해 생성된 자속이 다른 inductor를 통과하면서 inductor 자체의 쇄교 자속 이외의 다른 inductor에 의한 쇄교 자속이 추가하게 되는데 이로 인해서 전기적으로 분리가 되어 있어도 멀리 떨어진 inductor에도 유도기전력이 유도될 수 있다. 쇄교 자속 : 연결이 되는 것을 말한다. inductor를 coil이라고도 하는데 예를 들어 권수가 10이라면 1에해당하는 자기장의 10배에 해당하는 자기장을 가지게 되는 것처럼 전류는 일정하게 흐르지만 자기장은 권선을 감은 횟수만큼 증가하는 것을 말한다. 즉, A라는 inductor에 1이라는 자기장이 있는 상태에서 다시 B라는 inductor의 1이라는 자속과 만나면 그만큼 증가한다는 의미이다.

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** TIP!!!! PCB 배선할 때 알아두어야 할 점 **

1. 배선 길이를 짧게 하라.

도체가 커질 수록 (배선의 길이가 길수록) L값이 높아지고, 이로인해 임피던스가 높아진다. (Z=2*pi*F*L)

이러면 저주파 신호는 상관없지만, 고속신호의 경우 Noise에 매우 취약해진다.

따라서 배선 길이는 최대한 짧게 하는 것이 좋다.

>> 주파수가 높을 수록 전류의 흐름이 계속 변화하기 때문에 스위칭 노이즈가 많이 발생한다. 따라서 노이즈를 잡기 위해서는 주파수를 줄이던지 L 값을 줄이는 방법을 알아야 한다.

2. Power pattern을 두껍게 하라.

매우 중요한 말이다. 그렇다고 무턱대고 두껍게 하는 것은 좋지 않다.

필요한 전압과 전류를 파악하고 이 정보를 토대로 PCB설계가 진행되야 한다.

보통 로직 Ic의 소비 전류는 100mA 혹은 100mA 이하이다. 이 경우, 패턴 폭이 그렇게 넓지는 않다.

근데, 소비하는 전류가 1A를 넘어간다면 이는 Plane화 하여 최대한 넓게 배포해야 한다.

(500mA의 경우 100mA보다 더 넓게 하면 된다.)

>> 보통 1A의 Power Plane을 도포하고, 어떤 IC가 100mA만 필요하다면, 100mA전류량을 허용하는 굵기의 패턴을 IC에 연결하면 된다. 이것이 최적화 설계이다.

3. Loop를 형성하지 마라.

모든 회로는 Loop가 형성되어 있다.

앞서 말한바와 같이 Decoupling capacitor를 부착하여 loop면적을 최대한 적게 한다.

그리고 GND plane을 Loop식으로 둥글게 배선하면 안된다.

이는 안테나가 되기 때문에, 방사 or 전도가 일어날 확률이 매우 크다.

4. Cross-talk 을 만들지 마라.

Cross-talk 가장 기본 이념은 신호간의 생기는 Capacitance로 인해 생기는 문제이다.

Capacitance는 도체와 도체 사이에 절연층이 있으면 생기는 Capacitor의 이념이다.

이로인해 도선과 도선사이가 가까워지면 Capacitance가 생겨 서로간에 신호가 간섭하게 된다.

다르게 말하면, 모든 도선은 전류가 흐르고, 전류가 흐르기 때문에 자기장이 생긴다. 

이로인해 주파수가 높은(전류가 높은) 신호는 더 큰 자기장이 생기게 된다.

이렇게 되면, 자기장이 겹치기 때문에 두 신호간의 영향이 발생할 수 있다. 

따라서 pcb 배선을 할 때 각 층을 격자형태로 배선을 한다.

이렇게하면 자기장의 영향을 덜 받게 된다. (간섭하는 면적이 줄어든다.)

>> TIP을 주자면, Capacitance를 줄이기 위해서는 도선 사이에 GND를 도포하면 된다. 아니면 충분한 이격거리가 필요하다. ex) 10mils

5. Critical한 신호에 대해서는 다른 신호와 적당히 이격하라.

pcb 설계 시 가장 중요한 것이 중요 신호라인이다.

중요 신호라인과 일반 신호선 라인은 반드시 분리하여 배치&배선해야 한다.

중요 신호라인은 최대한 VIA를 적게 생성하는 것이 좋다. 그리고 return current path를 위해 GND를 최대한 짧게 연결해준다.

중요 신호라인 사이에는 GND를 형성해주는 것이 가장 좋다.

일반 신호라인은 VIA를 사용해도 되고 GND가 조금 이격거리가 있어도 상관없다.

mil 단위   mil단위를 mm단위로 바꾸려면 39.37로 나누어 주면되고   mm단위를 mil단위로 바꾸려면 39.37로 곱해 주면 됩니다.     왜 39.37 이라는 상수를 사용하냐면 1000mil(1인치)은 25.399mm 이므로 1mm = 1000/25.399 = 39.3716288 mil 이기 때문입니다.

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여기까지 EMC에 강한 PCB의 설계 내용입니다.

사실 이것말고도 굉장히 많은 자료들이 있는데, 이는 나중에 정리가 된다면 포스팅 하도록 하겠습니다.

부족한 부분도 많을 수 있습니다~ 궁금하신 점 댓글 달아주세요~

감사합니다.