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인쇄회로기판(PCB) 설계 시 구리 배선에서 발생하는 신호 무결성 저하의 원인은 무엇인가요?
고속 디지털 회로에서 배선의 길이와 폭, 기판의 유전율 등에 의해 신호가 왜곡되거나 지연되고 전자파 간섭(EMI)이 일어나는 원리가 무엇인가요?
6개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
고속 디지털 회로에서는 구리 배선도 단순한 전선이 아니라 신호가 이동하는 전송선로처럼 동작하기 때문에 길이와 구조가 중요해집니다.
배선이 길어진다면 신호가 도착하는 시간이 늦어지고, 배선 폭과 주변 구조 또한 달라지면 임피던스가 변해 신호 일부가 반사될 수 있습니다. 이 반사가 심해지면 파형이 찌그러지거나 여러 번 튀는 현상이 생겨 데이터가 잘못 인식될 가능성이 훨씬 커집니다.
기판의 유전율이 높거나 층 구조가 달라진다면 신호가 이동하는 속도와 배선의 임피던스 값도 변하기 때문에 설계 단계에서 이것을 함께 고려해야 합니다. 또 빠르게 변하는 신호는 주변 배선으로 전자기 에너지를 퍼뜨려 크로스토크와 EMI를 만들 수 있어 접지면과 배선 간격이 중요할 수 있습니다.
종합해보면, PCB 신호의 무결성은 배선 길이와 폭, 임피던스, 유전율, 접지와 배선 간격을 얼마나 일정하게 관리하느냐에 달려있다고 보시면 되겠습니다.
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채택된 답변안녕하세요.
고속 회로에서는 구리 배선도 단순한 전선이 아니라 저항과 인덕턴스, 정전용량을 가진 전송선로처럼 동작해요.
배선이 길어지면 신호 도착 시간이 늦어지고, 폭이나 기판의 유전율에 따라 신호의 속도와 임피던스도 달라지죠. 임피던스가 맞지 않으면 신호가 반사되어 파형이 흔들리거나 데이터 오류가 생길 수 있어요. 또한 배선 사이의 전자기장이 서로 영향을 주면 원치 않는 신호가 유입되고, 급격한 전압 변화는 전자파 간섭을 일으키기도 해요. 그래서 고속 PCB는 배선 길이와 간격을 조절하고, 임피던스와 접지 구조를 함께 고려하는 것이 중요해요.
감사합니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
고속 디지털 회로에서 구리 배선은 단순한 전선이 아니라 저항 정전용량 인덕턴스를 가진 전송선로로 작용합니다 배선이 길어지면 신호 전달 지연과 손실이 커지고 폭이 적절하지 않으면 임피던스가 변해 신호가 반사될수 있습니다 또한 기판의 유전율이 높으면 신호 사이에는 전자기적 결합이 발생해 원치 않는 신호가 전달되는 누화가 생기며 전자파 간섭도 발생할 수 있습니다 그래소 PCB 설계에서는 배선 길이와 폭 임피던스 접지면 및 배선 간격을 적절히 조절해 신호 무결성을 확보해야 합니다
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
PCB에서 신호가 왜곡되는것은 배선 폭이나 길이나, 그리고 유전율이 안맞아서 그렇습니다. 고속 신호가 흐를때, 선의 특성 임피던스가 흔들리게 되면서, 반사가 생깁니다. 그러면 파형이 뭉개지게 되죠. 거기다가 기판의 유전율이 높으면 전자가 나아가는 속도가 떨어집니다. 그러면 결국 신호 지연이 심해지게 되구요.
그래서 배선의 배치가 잘못되면 불필요하게 전자파가 새어나가서 주변의 회로를 방해하게 됩니다. 왜냐하면은 급격한 전류의 변화가 주변에 안테나처럼 노이즈를 쏘게 되죠. 따라서, 고속회로를 만들때는 임피던스 매칭을 철저하게 하시고, 배선의 간격을 여유있게 잡아주시는것이 중요하겠습니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
신호가 1ns 이하로 빠르게 바뀌면 PCB 배선은 단순한 도선이 아니라 전송선로처럼 동작해요. FR-4 기판(유전율 약 4.3)에서 신호는 1ns에 15cm쯤 가는데, 배선을 지나는 시간이 상승 시간과 비슷해지면 배선 위치마다 전압이 달라져요. 이때 배선은 폭, 그라운드면까지의 유전체 두께, 유전율로 정해지는 특성 임피던스를 가지며 보통 50Ω에 맞춰요.
임피던스가 갑자기 바뀌는 곳에서는 신호 일부가 반사돼요. 폭이 바뀌는 지점, 비아, 커넥터, 종단 없는 끝단에서 돌아온 반사파가 원래 신호와 겹치면 오버슈트와 링잉이 생겨 논리 레벨을 잘못 읽어요. 주파수가 높을수록 표피 효과로 전류가 구리 표면에만 몰려 저항이 커지고, 유전체도 에너지를 흡수해 고주파 성분이 깎여요. 그러면 파형 모서리가 무뎌져 앞 비트가 다음 비트를 침범해요. 나란히 달리는 배선끼리는 전자기적으로 결합해 누화도 생겨요.
EMI는 주로 귀환 전류 경로에서 생겨요. 고속 신호의 귀환 전류는 바로 아래 그라운드면을 따라 흐르는데, 그라운드면이 끊겨 있으면 먼 길로 돌아가며 큰 전류 고리를 만들고, 이 고리가 안테나처럼 전자파를 내보내요 :)
안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
PCB 구리 배선에서 신호 무결성이 저하되는 핵심 원인은 신호가 전기적 파동으로 전달되면서
배선의 물리적 특성에 따라 반사,지연,손실,간섭이 발생하기 때문입니다.
고속에서는 배선을 단순한 전선이 아니라 전송선로로 봐야합니다.