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혼성신호 PCB 레이아웃 설계를 위한 가이드라인

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[#강추 웨비나] 차세대 배터리 관리 시스템 "ADI의 6세대 BMS 솔루션으로 산업 및 자동차 분야에 새로운 기준 제시" (7/17)

아나로그디바이스

메이 앤 폴리 AE, 케빈 체서 제품 AE

 

개요

 

이 글에서는 혼성신호 PCB 레이아웃을 설계할 때 고려해야 할 점들을 알아본다. 부품 배치, 보드 레이어, 접지 플레인을 어떻게 해야 할지 설명한다. 이 글에서 설명하는 가이드라인은 혼성신호 보드 레이아웃에 관한 것이기는 하나, 모든 분야의 엔지니어들이 똑같이 유용하게 적용할 수 있을 것이다.

 

머리말

 

혼성신호 PCB 설계에서 기본적으로 중요한 것은 아날로그 회로와 디지털 회로 사이에 신호 간섭을 최소화하는 것이다. 많은 최신 시스템이 디지털과 아날로그 두 가지 영역에서 동작하는 부품들을 포함한다. 이러한 시스템 전반에 걸쳐서 신호 무결성을 달성하도록 시스템을 설계해야 한다.

 

PCB 레이아웃은 혼성신호 제품 설계에 있어 중요한 부분을 차지하는 것으로서 결코 만만치 않은 작업이다. 부품 배치는 이 작업의 시작에 불과하다. 보드 레이어를 어떻게 할지 역시 중요하다. 보드 레이어는 기생 커패시턴스에 의해서 발생하는 간섭을 최소화하도록 해야 한다.

 

PCB 내부 층들 사이에 의도치 않은 기생 성분들이 발생할 수 있기 때문이다. 접지 또한 혼성신호 시스템 PCB 레이아웃 설계에 있어서 중요한 요소다. 접지는 업계에서 논의가 활발하게 되는 주제인 데도, 표준화된 접근법을 도출하기가 쉽지 않다.

 

예를 들어 접지와 관련한 어떤 문제가 고성능 혼성신호 PCB 설계의 전체 레이아웃에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 접지 또한 중요하게 고려해야 한다.

 

부품 배치

 

집을 지을 때처럼, 회로 부품을 탑재할 때도 먼저 시스템 도면을 작성하는 것이 필요하다. 이 단계에서 시스템 설계의 전반적인 무결성이 좌우될 수 있다. 잡음으로 인한 신호 간섭을 피하도록 설계해야 한다. 이 도면인 플로어 플랜을 작성하기 위해서는 회로도의 신호 경로에 주의를 기울여야 한다.

 

고속 회로의 경우에는 더욱 그렇다. 부품의 위치 또한 중요하다. 설계자가 중요한 기능 블록, 신호, 블록들 사이의 배선을 파악하고 각각의 부품을 되도록 최적의 위치에 배치해야 한다. 예를 들어 커넥터는 보드 가장자리에다 배치하고 디커플링 커패시터나 크리스털 같은 보조적 부품들은 혼성신호 디바이스에 되도록 가깝게 배치하는 것이 좋다.

 

아날로그와 디지털 블록 파티셔닝

 

아날로그 신호와 디지털 신호 사이에 공통적 리턴 경로를 최소화하려면 아날로그 신호가 디지털 신호와 섞이지 않도록 아날로그 블록과 디지털 블록을 분리해야 한다.

 

 

그림 1은 아날로그 회로와 디지털 회로를 분리시킨 예를 보여준다. 아날로그 섹션과 디지털 섹션을 분리할 때는 다음과 같은 점을 고려해야 한다.

 

∙증폭기나 전압 레퍼런스 같은 민감한 아날로그 부품은 아날로그 블록에 배치한다. 마찬가지로 로직 컨트롤러나 타이밍 블록 같이 잡음이 심한 디지털 부품은 반대쪽인 디지털 블록에 배치한다.

 

∙시스템에서 디지털 전류를 적게 소모하는 하나의 혼성신호 아날로그-디지털 컨버터(ADC)나 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 포함하는 경우에는 이러한 부품을 아날로그 부품으로 취급하고 아날로그 블록에 배치한다.

 

∙하나 이상의 고전류 ADC나 DAC를 포함하는 경우라면 아날로그 전원과 디지털 전원을 분할할 것을 권장한다. 다시 말해 AVCC는 아날로그 섹션에 연결하고, DVDD는 디지털 섹션에 연결한다.

 

∙마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러는 상당한 자리를 차지하고 열을 발생한다. 이러한 부품들은 열 분산을 위해서 보드 중앙에 배치하면서 동시에 관련 회로 블록에 가깝게 배치해야 한다.

 

전원 블록

 

전원 공급 역시 회로 설계의 중요한 부분을 차지한다. 기본적인 원칙으로서 전원 블록은 회로의 나머지 부분과 절연을 하면서 또한 전원을 공급하고자 하는 부품들에 가깝게 배치해야 한다.

 

여러 개의 전원 핀을 사용하는 디바이스를 포함하는 복잡한 시스템은 아날로그 섹션과 디지털 섹션에 각각 별도의 전원 블록을 사용함으로써 잡음이 심한 디지털 간섭을 피할 수 있다. 전원 라우팅은 되도록 짧게 하고 폭이 넓은 트레이스를 사용해서 인덕턴스를 낮추고 전류 한계에 구속되지 않도록 해야 한다.

 

디커플링 기법

 

PSRR(power supply rejection ratio)은 목표로 하는 시스템 성능을 달성하기 위해 설계자가 고려해야 하는 중요한 파라미터 중의 하나다. PSRR은 전원 변동성에 대한 디바이스의 민감성을 나타낸다. 이는 궁극적으로 디바이스 성능으로 이어진다. 최적의 PSRR을 유지하기 위해서는 디바이스로 고주파 에너지가 유입되지 않도록 해야 한다.

 

이를 위한 방법 중 하나는 전해 커패시터와 세라믹 커패시터를 사용해서 디바이스 전원을 낮은 임피던스 접지 플레인에 대해서 적절히 디커플링하는 것이다. 디커플링의 기본적인 개념은 회로가 동작할 수 있도록 잡음이 낮은 환경을 조성하는 것이다.

 

이를 위한 가장 중요한 원칙은 경로를 되도록 짧게 함으로써 전류가 쉽게 귀환할 수 있도록 하는 것이다. 설계자들은 각 디바이스의 고주파 필터링 권장 사항을 세심히 확인해야 한다. 이와 함께 다음의 체크리스트를 일반적인 디커플링 기법과 이의 적절한 구현을 위한 가이드라인으로 삼을 수 있을 것이다.

 

∙전해 커패시터는 변동적인 전류에 대해서 전하 저장소 역할을 하고 전원 상으로 저주파 잡음을 최소화하는 반면, 인덕턴스가 낮은 세라믹 커패시터는 고주파 잡음을 낮춘다. 페라이트 비드를 사용할 수도 있는데, 페라이트 비드는 추가적인 고주파 잡음 차단과 디커플링을 필요로 한다.

 

∙디커플링 커패시터는 디바이스 전원 핀에 되도록 가깝게 배치해야 한다. 추가적인 직렬 인덕턴스를 최소화하기 위해서는 이들 커패시터를 비아나 짧은 트레이스를 통해서 낮은 임피던스 접지 플레인의 넓은 면적에 연결해야 한다.

 

∙0.01μF~0.1μF에 이르는 작은 크기의 커패시터는 물리적으로 디바이스 전원 핀에 되도록 가깝게 배치해야 한다. 디바이스의 여러 개 출력이 동시에 스위칭하는 경우, 이렇게 배치함으로써 불안정성을 피할 수 있다. 10μF~100μF에 이르는 전해 커패시터는 디바이스 전원 핀으로부터 1인치 이상 떨어지지 않게 배치해야 한다.

 

∙좀 더 손쉬운 구현을 위해서는 트레이스를 사용하는 것이 아니라 디바이스 GND 핀 가까이의 비아들을 통해서 T-타입 커넥션으로 디커플링 커패시터들을 접지 플레인에 연결할 수 있다. 그림 2는 이에 대한 예시이다.

 

 

보드 레이어

 

부품 배치와 플로어 플랜을 확정했으면 보드 설계의 또 다른 차원으로 넘어간다. 바로 보드 레이어다. PCB 라우팅에 앞서서 보드 레이어를 먼저 고려해야 한다. 이 결정에 따라서 시스템 설계에서 가능한 리턴 전류 경로가 결정되기 때문이다. 보드 레이어는 보드 상에서 구리 레이어들의 수직적 구조이다. 이들 레이어를 통해서 전류와 신호가 전달된다.

 

 

그림 3은 보드 레이어들을 시각적으로 표현한 것이다. 표 1은 통상적인 4-레이어 PCB의 구성을 설명한 것이다.

 

레이어 기능
1

디지털/아날로그 신호 (상단 레이어)

2

접지

3

전원 플레인

4

보조 신호 (하단 레이어)

 

대체로 고성능 데이터 수집 시스템은 4개 혹은 그 이상의 레이어를 사용해야 한다. 상단 레이어는 디지털·아날로그 신호에 사용되고, 하단 레이어는 보조적 신호들에 사용된다.

 

두 번째 레이어(접지 레이어)는 임피던스 제어 신호들을 위한 레퍼런스 플레인으로 사용되고 IR 드롭을 낮추고 상단 레이어로 디지털 신호들을 차폐하는 역할을 한다.

 

세 번째 레이어는 전원 플레인이다. 전원 플레인과 접지 플레인은 서로 인접해 있어야 한다. 둘 사이의 추가적인 커패시턴스가 전원 고주파 디커플링에 도움이 된다. 지난 몇 년 사이, 혼성신호 설계의 접지 레이어와 관련해서 권장사항에 변화가 일어나고 있다.

 

기존에는 아날로그와 디지털 사이에 접지 플레인을 분할하는 것이 당연하다고 여겨졌는데, 최근의 혼성신호 설계에서는 새로운 접근법이 권장되고 있다. 애플리케이션의 필요에 따라 플로어 플랜을 잘 작성하고 신호들을 적절히 분할함으로써 잡음이 심한 신호들로 인한 문제를 방지할 수 있다.

 

접지 플레인 : 분할할 것인가, 말 것인가?

 

접지 역시 혼성신호 PCB 레이아웃 설계에서 중요한 요소다. 리턴 신호를 위한 낮은 임피던스 경로를 확보하기 위해서는 통상적인 4-레이어 PCB에서 적어도 하나의 레이어를 접지 플레인으로 할애해야 한다. 직렬 인덕턴스와 저항을 최소화하기 위해서는 모든 IC 접지 핀을 곧바로 낮은 임피던스 접지 플레인으로 라우팅 및 연결해야 한다.

 

기존에는 혼성신호 시스템에서 아날로그 접지와 디지털 접지를 분리시키는 것이 접지를 위한 표준 접근법으로 자리잡아왔다. 하지만 낮은 디지털 전류를 사용하는 혼성신호 시스템은 단일 접지를 사용하는 것이 좋을 수 있다. 설계자는 혼성신호 전류 요구에 따라서 어떠한 접지 방법이 적합할지 판단해야 한다. 설계자가 고려할 수 있는 접지 방법에는 두 가지가 있다.

 

단일 접지 플레인

 

하나의 ADC나 DAC를 포함하고 낮은 디지털 전류를 사용하는 혼성신호 시스템은 단일 접지 플레인이 가장 좋은 방법일 것이다. 단일 접지 레이어의 중요성을 이해하기 위해서는 리턴 전류에 대해서 언급하는 것이 필요하다. 리턴 전류는 루프를 돌아서 접지로 돌아올 때 흐르는 전류이다. 혼성신호 간섭을 방지하기 위해서는 PCB 레이아웃 전반에 걸쳐서 각각의 리턴 경로에 주의를 기울여야 한다.

 

 

그림 4의 회로는 접지 플레인을 분할하는 것과 비교할 때 단일 접지 플레인의 이점을 보여준다. 신호 전류는 리턴 전류와 동일하지만 전류 방향이 반대다. 리턴 전류가 접지 플레인에서 소스로 흐르며 임피던스가 낮은 경로를 따른다. 저주파 신호의 경우에는 리턴 전류가 저항이 낮은 경로를 따른다. 이 경로는 통상적으로 디바이스의 접지 레퍼런스 지점들 간에서 직선이다. 고주파 신호의 경우에는 리턴 전류의 일부가 다시 신호 경로로 유입될 수 있다. 이것은 나가는 전류와 돌아오는 전류 사이에 형성되는 루프 크기를 최소화하기 위해 이 경로를 따라서 임피던스가 더 낮기 때문이다.

 

아날로그와 디지털 접지 분할

 

단일 접지를 사용하기가 어려운 복잡한 시스템의 경우에는 분할 접지가 더 적합할 수 있다. 분할 접지 플레인은 접지 플레인을 아날로그 접지 플레인과 디지털 접지 플레인으로 분할하는 것이다. 이 방법은 여러 혼성신호 디바이스가 높은 디지털 전류를 소모하는 복잡한 시스템에 적합하다. 그림 5는 분할 접지 플레인을 사용한 시스템 예를 보여준다.

 

 

분할 접지 플레인을 사용할 때 가장 간단한 방법은 스타 접지(star ground)를 통해서 리턴 전류가 좀 더 직선적인 경로를 취할 수 있도록 하는 것이다. 스타 접지는 아날로그 및 디지털 접지 플레인이 혼성신호 레이아웃 설계 상에서 함께 만나는 교차점이다.

 

통상적인 시스템에서, 스타 접지는 아날로그 접지 플레인과 디지털 접지 플레인 사이에 좁은 폭의 연속적인 결합 부위로 이뤄진다. 좀 더 복잡한 설계의 경우에는 접지 헤더로 점퍼 션트를 사용해서 스타 접지를 구현할 수 있다. 스타 접지에서는 전류 흐름이 없으므로 헤더와 점퍼 션트로 높은 전류가 공급될 필요가 없으며, 단지 두 접지가 동일한 레퍼런스 수준이 되도록 하는 것이 주 목적이다.

 

설계자들은 각 디바이스의 데이터 시트에서 접지에 관한 부분을 확인해서 접지 요건을 충족하고 접지와 관련해서 어떤 문제가 없는지 점검해야 한다. AGND 핀과 DGND 핀을 갖춘 혼성신호 디바이스는 이들 핀을 각각의 접지 플레인에 연결할 수 있다. 스타 접지가 한 지점에서 양쪽 접지로 연결할 수 있기 때문이다.

 

이 방법으로, 잡음이 심한 모든 디지털 전류가 디지털 전원을 거쳐서 디지털 접지 플레인으로 갔다가 다시 디지털 전원으로 흐르면서도 민감한 아날로그 회로와 차단될 수 있다. AGND 플레인과 DGND 플레인을 분리하는 것은 다층 PCB의 모든 레이어에서 마찬가지다.

 

접지와 관련한 그 밖의 고려사항

 

혼성신호 아날로그·디지털 시스템에 접지를 구현하는 것과 관련하여, 이 밖에도 다음과 같은 점에 유의해야 한다.

 

∙넓은 구리 트레이스는 스타 접지 지점에 연결해야 한다.

∙좁은 폭의 트레이스들이 접지 플레인에 연결되지 않았는지 확인한다. 이러한 연결은 바람직하지 않다.

∙필요하다면 패드와 비아를 사용해서 아날로그와 디지털 접지 플레인을 연결할 수 있다.

 

맺음말

 

혼성신호 애플리케이션의 PCB 레이아웃은 결코 만만치 않은 작업이다. 부품 배치를 위한 플로어 플랜을 작성하는 것은 이 작업의 시작일 뿐이다. 혼성신호 시스템에서 최상의 성능을 달성하기 위해서는 보드 레이어와 접지 또한 중요한 고려사항이다.

 

부품 배치를 어떻게 하느냐에 따라서 시스템 설계의 전반적인 무결성이 좌우될 수 있다. 적절한 보드 레이어 구성은 보드 전반에 걸쳐서 전류와 신호를 잘 관리할 수 있다. 애플리케이션의 필요에 따라서 적합한 접지 방식을 결정함으로써 시스템 성능을 향상하고 잡음이 심한 신호나 리턴 전류로 인한 문제를 피할 수 있다.

 

헬로티 함수미 기자 |









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