EMI 감소를 위한 PCB 설계 가이드라인

오늘날 우리가 사용하는 모든 전자 기기는 전자기 간섭(EMI)에 취약합니다. 인쇄 회로 기판(PCB), 집적 회로, 상호 연결 장치 및 I/O 케이블은 전자 시스템을 구성합니다. 고주파수에서 상호 연결 장치는 안테나처럼 작용하여 EMI를 발생시키는데, 그 정도는 상호 연결 장치의 길이와 도체를 통해 흐르는 전류에 따라 달라집니다. 이러한 EMI 방사선은 주변의 다른 기기에 간섭을 일으킵니다. EMI 방출량을 제한하기 위한 국제 표준이 존재하며, 따라서 전자기 방사선을 측정하고 제어하는 것은 매우 중요합니다.

PCB 기판의 전자기 간섭(EMI)을 줄이기 위해 다양한 전략을 사용할 수 있습니다. 이러한 전략에는 여러 측면이 포함되며, 각 측면을 적절히 고려하고 처리해야 합니다.

1. 접지

2. 분리

3. 차폐

분리

트레이스는 드라이버에서 리시버로 전기를 전달하는 모든 경로를 의미합니다. 이러한 트레이스가 구부러지거나 교차할 경우 안테나 역할을 하여 EMI(전자파 간섭)를 유발할 수 있습니다. 따라서 모든 신호 트레이스를 다른 트레이스와 분리하는 것이 좋습니다. 이는 크로스토크(시스템 간 원치 않는 신호 전송 방지)를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 

PCB 상에서 AC 시스템과 DC 시스템을 분리하는 것은 매우 중요합니다. 칩과 트레이스를 포함하여 AC 시스템과 DC 시스템을 분리하면 시스템 간의 불필요한 신호 전송을 방지할 수 있습니다. 만약 기판에 물리적으로 AC 시스템과 DC 시스템을 분리할 공간이 충분하지 않다면, 분리해야 하는 부품 사이의 접지면에 틈을 만들어 줄 수 있습니다. 접지면에 틈을 활용하면 민감한 시스템 주변으로 전류를 우회시킬 수 있습니다. 접지면에 틈이 생기면 해당 면을 통과하는 전류는 틈을 피해 흐르게 됩니다.

1. 전원 레일 분리:  모든 AC/DC PCB에는 AC 및 DC 부품용으로 별도의 전원 레일이 있어야 합니다. DC 부품은 전원에서 전압 스파이크를 끌어올 때 전압 과도 현상을 일으킬 수 있습니다. AC 부품은 이러한 전압 과도 현상이 있는 환경에서도 작동할 수 있지만, 최대 성능을 발휘하지 못할 수 있습니다. 전압 과도 현상이 너무 크면 회로가 완전히 오작동하거나 AC 부품에 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 AC 부품과 DC 부품을 분리하기 위해 별도의 전원 레일을 사용하는 것이 중요합니다.

2. 직각을 피하고 45°로 꺾으십시오:  회로가 90° 곡선과 만날 때 정전 용량이 증가하여 특성 임피던스 값이 변하고 반사가 발생합니다. 급격하게 꺾이는 부분을 45°로 꺾으면 이를 방지할 수 있습니다.

3. 비아의 신중한 사용:  비아는 다층 PCB에서 신호 라우팅에 사용되므로 전문가처럼 사용해야 합니다. 숙련된 설계자는 각 비아가 갖는 정전 용량 및 인덕턴스 효과를 잘 알고 있어야 합니다. 따라서 필수적인 트레이스는 동일한 레이어에 라우팅하고, 가능한 한 비아를 피해야 합니다. 반사는 비아와 트레이스 사이의 임피던스 불일치로 인해 발생하며, 이는 비아의 기생 정전 용량 및 인덕턴스 때문입니다. 비아가 불가피한 경우, 접지 비아를 신호 비아 가까이에 배치하도록 주의해야 합니다. 연결된 접지를 기준으로 신호를 참조함으로써 특성 임피던스 값의 변화를 방지하고 결과적으로 반사를 줄일 수 있습니다. 비아를 피할 수 없는 경우, 차동 쌍의 두 트레이스에 동일한 개수의 비아를 배치해야 합니다. 또한 비아로 인한 신호 지연을 고려하는 것도 중요합니다. 이는 차동 쌍의 양쪽 다리에 동일한 수의 비아를 사용하거나 비아가 없는 다리에 구불구불한 배선을 적용함으로써 달성할 수 있습니다.

4. 트레이스의 신중한 사용:  아시다시피 고속 PCB는 EMI 문제에 자주 직면합니다. 송신 또는 수신 안테나 역할을 하는 긴 트레이스는 EMI 위험을 초래할 수 있습니다. 트레이스가 길수록 이동 거리가 길어져 경로상의 민감한 회로에 영향을 미칠 가능성이 높아집니다. 짧고 직선 경로의 트레이스를 사용하면 안테나 및 트레이스 근접으로 인한 EMI 위험을 줄일 수 있습니다. 의도적으로 트레이스를 EMI 안테나처럼 만들지는 않지만, 고주파로 인해 커패시터의 임피던스가 변하거나 귀환 전류로 인해 접지면에 예상치 못한 루프가 발생할 수 있습니다. 어떤 이유에서든 트레이스를 짧게 하는 것이 안테나 방사를 줄이는 가장 좋은 방법입니다. 안테나는 송수신 모두 가능하므로 "잡음이 많은" 회로와 "잡음이 적은" 회로 모두에서 트레이스를 짧게 해야 합니다. 작은 안테나는 항상 큰 안테나보다 적은 신호를 송수신합니다. PCB에서 EMI를 방출하는 것은 트레이스뿐만이 아닙니다. 트레이스가 접지면의 틈을 통과하면 안테나처럼 작용합니다. 트레이스는 짧고 직선으로 유지하되, 접지면의 틈을 통과하는 것은 피해야 합니다. 차동 쌍을 배선할 때는 트레이스를 최대한 평행하게 유지하는 것이 중요합니다. 차동 쌍을 병렬화하면 방사되는 EMI를 상쇄하고 트레이스 길이를 일치시키는 데 도움이 됩니다.

접지

접지면은 부하에서 소스로 신호가 되돌아올 때 가장 낮은 인덕턴스 값을 제공하므로 전체 접지면을 사용해야 합니다. 접지에는 별도의 PCB 레이어가 필요하지만, 2층 PCB에서는 항상 이를 허용하지 않을 수 있습니다. 이러한 경우 설계자는 접지 그리드를 사용하며, 각 그리드의 인덕턴스는 그리드 사이의 간격에 따라 달라집니다. 두 트레이스에는 동일한 수의 비아가 있어야 합니다.

일부 혼합 신호 설계에서는 전자기 간섭(EMI)을 방지하기 위해 아날로그 회로와 디지털 회로를 분리하려고 노력합니다. 그러나 완전히 독립적인 두 개의 접지면을 사용하면 일부 회로 구성 요소의 기준 전압이 달라질 수 있으며, 이로 인해 회로에 오류가 발생할 수 있습니다. 페라이트 비드와 쇼트키 다이오드를 사용하여 단일 데이터 변환기를 사용하는 회로에서 서로 다른 접지면을 연결할 수 있습니다. 하지만 보다 범용적인 시스템에서는 두 개의 접지면을 결합하거나, 하나의 접지면만 사용할 수도 있습니다. 단, AC 및 DC 전류의 귀환 경로가 교차하지 않아야 합니다. 교차할 경우 "크로스토크"가 발생하기 때문입니다. 가급적이면 전류 귀환 경로를 잘 고려한 견고한 단일 접지면을 사용하는 것이 좋습니다.

스타 접지는 하나의 혼합 신호 IC만 사용하는 PCB를 설계할 때 훌륭한 해결책이 될 수 있습니다. 스타 접지는 전체 접지면을 사용하는 대신 단일 접지점을 기준으로 사용합니다. 컨버터나 다른 혼합 신호 칩의 경우, 제조사에서는 일반적으로 칩 외부에 있는 AGND 및 DGND 핀을 연결하도록 권장하는데, 이 연결을 스타 접지로 사용할 수 있습니다. 또한, 하나의 혼합 신호 IC에 두 개의 별도 접지면을 사용하는 경우, 이 지점에서 두 접지면을 연결할 수도 있습니다. 스타 접지의 한 가지 제약 사항은 스타 접지에 연결하는 케이블이 가능한 한 길어야 한다는 것입니다.

혼합 신호 시스템의 접지는 EMI 및 크로스토크를 줄이기 위해 리턴 경로를 확인해야 하므로 신중한 배선 계획이 필요합니다. 모든 것이 동일해 보일 경우 배선 계획이 매우 어려워집니다. PCB 설계 소프트웨어에서 부품과 네트에 색상 코드를 적용하여 AC 및 DC 시스템을 시각적으로 구분하거나, 혼합 신호 IC를 사용하는 경우 핀을 구분하는 것이 좋습니다.

차폐

일부 부품, 특히 소형 고속 부품은 설계 규칙과 관계없이 EMI를 발생시킵니다. 다행히 차폐 및 필터링을 통해 EMI의 영향을 줄일 수 있습니다. 차폐는 PCB의 다른 부분에서 발생할 수 있는 EMI로부터 부품을 격리하는 데 특히 유용합니다. 차폐는 RF 출력, 입력 및 증폭기 단에 가장 일반적으로 사용되는데, 이는 회로에서 EMI의 영향을 받거나 EMI를 발생시킬 가능성이 가장 높은 부분이기 때문입니다. RF 모듈과 증폭기를 회로 내 다른 노이즈로부터 격리하려면 차폐를 사용하는 것이 중요합니다.

차폐 장치 : 물리적 차폐는 기판 전체 또는 일부를 감싸는 금속 패키지입니다. 이러한 차폐 장치의 목적은 EMI(전자파 간섭)가 기판 회로에 유입되는 것을 방지하는 것이며, 구체적인 방법은 EMI 발생원에 따라 다릅니다. 부품 차폐는 EMI를 발생시키는 특정 부품을 감싸 접지에 연결하여 안테나 루프 크기를 줄이고 EMI를 흡수하는 데 사용할 수 있습니다. 외부에서 발생하는 EMI를 차단하기 위해 기판 전체를 차폐하는 방법도 있습니다. 일반적으로 이러한 장치는 금속이나 전도성 폼으로 만들어집니다.

케이블 : 아날로그 및 디지털 전류를 전달하는 케이블은 가장 많은 EMI 문제를 일으킵니다. 이러한 케이블은 기생 정전 용량과 인덕턴스를 발생시켜 문제를 일으키는데, 특히 고주파 신호에서 문제가 됩니다. 다행히 이러한 케이블을 차폐하고 양쪽 끝을 접지에 연결하면 EMI 간섭을 줄이는 데 도움이 됩니다.