고속 신호 PCB 리턴 경로 설계: 최소 임피던스 경로와 접지면

소개

회로에 전류가 흐를 때, 고속 신호는 최소 저항 경로가 아닌 최소 임피던스 경로를 따라 흐릅니다. 리턴 경로는 전류가 전원으로 되돌아오는 경로입니다. 어떤 리턴 경로를 사용해야 PCB 설계를 개선할수 있는지 살펴보겠습니다.

시간이 흐르면서 소형 PCB에 대한 수요가 급격히 증가했습니다. 동시에 플렉서블 및강성-연성 회로또한 증가했습니다. 그 결과 작동 전압이 크게 낮아졌습니다. 하지만 엔지니어들은 항상 더 좋고, 더 빠르고, 더 정확한 설계를 목표로 합니다. 어떻게 하면 그것을 달성할수 있을까요?

라우팅 반환 경로

교류 전류가 회로를 통과할 때 전기장이 형성된다는것을 알고 있습니다. 이러한 전기력선은 주변 도체를 통해 전달되어 인근 회로에도 영향을 미칩니다. 자기장의 변화가 회로의 양 끝에 도달하는데 걸리는 시간은 빛의 속도의 극히 일부에 불과합니다. 

상태 변화(높음/낮음 논리)가 발생할 때마다 전위차가 발생하고 전류가 회로를 통해 흐릅니다. 이 전기장은 전류가 흐르는 도체 주위에 자기장을 생성합니다. 자기장의 변화는 전파되는데 시간이 걸리므로 PCB의 트레이스 양 끝단은 서로 다른 상태에 있을수 있습니다.

이 상태에서는 유도 결합과 용량 결합에 의해 전류의 귀환 경로가 형성됩니다. 즉각적인 귀환 경로가 제공되지 않으면 인접 도체에 원치 않는 전류가 발생할수 있습니다. 단일 종단 신호, 전원 평면 및 차동 쌍의 경우 항상 동일 계층(또는 인접 계층)에 접지 귀환 경로를 제공해야 합니다.

고속 신호의 최소 임피던스 경로

앞서 언급했듯이 고속 신호는 임피던스가 가장 낮은 경로를 따라 흐릅니다. 엔지니어들은 때때로 임피던스를 간과하고 귀환 경로의 저항 부분에만 집중하는 경향이 있습니다. 귀환 경로에서는 주파수가 증가하고 상승/하강 시간이 짧아질수록 임피던스의 리액턴스 부분이 더욱 중요해진다는 점을 기억해야 합니다. 어떤 경우에는 전류의 귀환 경로가 도체 바로 아래를 직접 흐르기도 합니다. 따라서 회로에서 바람직하지 않은 경로가 형성되기 전에 바람직한 경로를 먼저 확보해야 합니다. 

저주파수에서는 귀환 경로가 부하에서 소스로 직접 흐릅니다. 주파수가 증가함에 따라 트레이스와 그 아래의 구리 사이의 상호 인덕턴스로 인해 저임피던스 경로가 생성됩니다. 결과적으로 접지에서의 귀환 전류는 신호층의 트레이스를 따라 흐르게 됩니다.

PCB 설계에서 리턴 경로 사용

빠르게 변화하는 신호는 주변 영역에 즉시 복귀 경로를 확보하여 배선해야 합니다. 패키지 핀에서 나오는 차동 트레이스는 즉시 서로 가까운 위치로 이동시켜야 합니다. 클록 신호는 접지면으로 둘러싸여 있어야 하며, 방사되는 EMI 노이즈를 줄이기 위해 신호 아래에 끊김 없는 접지면이 있어야 합니다. 장치가 FCC 테스트를 통과해야 하는 경우, 빠르게 변화하는 신호를 두개의 접지면 사이에 배선하고 비아 스티칭을 사용하여 신호를 감싸야 합니다. 

지상 소음을 줄이는 두가지 핵심 방법PCB레이아웃은 다음과 같습니다: 

1.PCB 내 전체 경로에서 차동 쌍을 함께 유지하십시오.

2.PCB에서 신호선 바로 아래 또는 바로 옆에 접지 귀환 경로를 제공하십시오.

일반적으로 전력선을 통과하여 접지층에 도달하기 전에 신호는 전력선의 전기장을 공유하므로 신호선에 노이즈를 발생시킬수 있습니다.

결론

회로에 불필요한 전류가 발생하는 것을 줄이려면 신중하게 계획된 적절한 귀환 경로를 만드는것이 중요합니다. 회로를 통과하는 모든 고속 신호에 대해 접지 귀환 비아와 경로를 제공해야 합니다.

지금 바로 PCBgogo에서 PCB 제작 및 조립을 시작하세요.