2. PCB설계자를 위한 SI(Signal Integrity)
"SI (Signal Integrity)라는 용어는 설계자 분들에게 많이 익숙한 용어 입니다. 어려워 보이겠지만 이를 이해하게 되면 설계 분야에서 전문가가 되어 있을 겁니다.
2.1 SI 는 무엇인가?
SI, 즉 신호 무결성은 전달 선로를 통과하는 신호의 품질을 의미합니다. 이 문제는 PCB 설계 시 반드시 고려해야 합니다. PCB가 디자인되면 신호 무결성을 개선하는 데 제한적인 여지가 있습니다.
AM 신호 -> 명확하지 않음 (신호 왜곡)
FM 신호 -> 더 명확함 (더 나은 신호 무결성)
더 자세히 말하자면, 신호 무결성은 전자적 프린트 회로 기판에서 전기 신호의 품질을 측정하는 것입니다. 디지털 전자공학에서는 0과 1의 이진 값이 전압(또는 전류) 파형으로 표현됩니다. 그러나 디지털 신호도 본질적으로 아날로그이며, 모든 신호는 잡음, 왜곡 및 손실과 같은 영향을 받습니다.
정확성이 부족한 경우, 고속 비트와 장거리 전송 라인은 전기 신호를 손상시켜 오류를 유발하고 시스템 또는 장치의 작동을 방해할 수 있습니다. 속도가 빨라질수록 고주파 영향이 커져서 심지어 가장 짧은 라인도 링, 크로스톡, 반사, 접지 바운스 등과 같은 문제에 영향을 받을 수 있어 신호의 무결성을 해칠 수 있습니다.
A 그림은 이상적인 신호를 보여주고 있고, C 그림은 노이즈가 이상적인 신호에 미치는 영향을 나타냅니다. 다음 섹션에서는 노이즈가 데이터 무결성에 미치는 영향을 논의할 것입니다.
간단히 말하면, 노이즈가 있는 신호는 부정확한 데이터를 초래하여 잘못된 작동을 일으킬 수 있습니다.
2.2 신호 무결성을 위해 필요한 점
신호 무결성은 신호가 왜곡 없이 전달될 수 있는 능력을 나타냅니다.
PCB에서 신호 무결성 문제가 발생하면 원하는 대로 작동하지 않을 수 있습니다. 가끔은 작동하고, 때로는 작동하지 않는 불안정한 상태일 수 있습니다. 프로토타입 단계에서는 작동하지만 대량 생산 시 종종 실패하거나 실험실에서는 작동하지만 현장에서는 신뢰성이 떨어질 수 있습니다. 이전 제품 라인에서는 작동했지만 새로운 생산 라인에서는 작동하지 않는 경우도 있습니다.
신호 무결성이 손실된 경우
• 신호가 왜곡되어 원래의 형태와 다른 형태로 변형되는 경우
• 원치 않는 전기 잡음이 신호에 합쳐져 신호 대 잡음(S/N) 비율을 떨어뜨리는 경우
• 보드 상의 다른 신호 및 회로에 원치 않는 잡음을 만드는 경우
PCB가 필요한 신호 무결성을 갖췄다고 할 때
• 내부의 모든 신호가 왜곡 없이 전달되는 경우
• 장치 및 연결이 규제 기준에 따라 인근 다른 전기 제품으로부터의 외부 전기 잡음과 EMI(전자기 간섭)에 영향받지 않거나 더 나은 수준을 보장하는 경우
• PCB가 연결된 다른 전기 회로/케이블/제품으로 EMI를 생성하거나 방출하지 않고, 이를 규제 기준에 따라 충족하는 경우
2.3 PCB에서 발생되는 SI(신호 무결성)의 문제 원인은 무엇일까?
PCB에서 신호 무결성 문제를 초래하는 주요 원인 중 하나는 신호 상승 시간(Rising time)의 빠름입니다. 주파수에서 회로 및 장치가 작동하면서 중간 정도의 상승 및 하강 시간(Falling time을 가지고 있을 때는 PCB 설계로 인한 신호 무결성 문제가 거의 발생하지 않습니다. 그러나 고주파(RF 이상)에서 신호 상승 시간이 매우 짧을 경우, PCB 설계가 문제가 됩니다.
신호 무결성 저하에 기여하는 요소들은 다음과 같습니다.
보통 빠른 신호 상승 시간과 고주파 신호는 신호 무결성 문제를 증가시킵니다.
2.3.1 임피던스의 불연속성
분석적인 관점에서, 다양한 신호 무결성 문제를 아래와 같은 범주로 나눌 수 있습니다.
이미 언급한 것처럼, 신호가 이동하는 동안 임피던스에서 불연속성을 경험하면 반사가 발생하여 링 현상과 신호 왜곡을 일으킵니다. 라인의 임피던스에서의 불연속성은 다음과 같은 경우에 발생합니다.
• 신호가 비아(Via)를 만나는 경우
• 신호가 두 개 이상의 라인으로 갈라지는 경우
• 신호 리턴 패스 평면이 분할되는 경우, 예를 들어 분할된 경우
• 라인 스텁이 신호 라인에 연결되고, 해당 스텁의 길이가 드라이버의 스위칭 속도의 1/4일 때
• 신호 라인이 소스에서 시작하는 경우
• 신호 라인이 수신기에서 종료되는 경우
• 신호와 리턴 패스가 커넥터 핀에 연결되는 경우
또한, 신호 상승 시간이 더 빠를수록 임피던스 불연속성에 의한 신호 왜곡이 커집니다.
선 임피던스 불연속으로 인한 신호 왜곡을 최소화하는 방법은 다음과 같습니다:
• 마이크로 비아와 HDI PCB 기술을 활용하여 비아 및 비아 스텁에 의한 불연속성 영향을 최소화합니다.
• 트레이스 스텁의 길이를 줄입니다.
• 한 신호가 여러 지점에서 사용될 때, 멀티 드롭 분기 대신 데이지 체인 패턴으로 트레이스를 라우팅합니다.
• 소스에서 올바른 종단 저항을 사용합니다.
• 신호 리턴 패스 평면의 불연속성에 대한 내재적으로 더 견고한 차분 신호 및 밀접하게 결합된 차분 페어를 활용합니다.
2.3.2 Overshoot, Undershoot, Ringing, Reflections.
Reflection 이란?
신호가 전송 라인을 통해 전송될 때, 신호 일부는 트레이스를 따라 끝까지 이동하는 대신 송신기로 반사될 수 있습니다. 회로에서 임피던스가 변경될 때마다 어느 정도의 반사가 발생합니다. 반사된 신호는 다시 임피던스가 변하는 지점을 만날 때까지 되돌아가 반사됩니다.
반사의 영향
• 반사로 인한 신호 왜곡
• 반사로 인한 오버슛 및 언더슛
반사 잡음을 줄이는 방법
• 일정한 임피던스 유지
• 좋은 지면 평준화 유지
• 직렬 종단 저항 사용 및 소스 지점 근처에 배치
Overshoot 이란?
신호가 실제 값보다 높은 값으로 전환되는 경우, 즉 낮은 값에서 높은 값으로 신호가 전환될 때 전환 신호의 값이 실제 값보다 높을 때 오버슛이 발생합니다.
Undershoot 이란?
신호가 실제 값보다 낮은 값으로 전환되는 경우, 즉 높은 값에서 낮은 값으로 신호가 전환될 때 전환 신호의 값이 실제 값보다 높을 때 언더슛이 발생합니다.
Ringing 이란?
릴레이를 통해 나오는 진동과 같은 전압 또는 전류 출력은 오실로스코프에서 나타납니다. 이 진동은 입력 신호의 갑작스러운 변화에 대한 반응으로 발생하는데, 예를 들어 전원을 켜거나 전환하는 경우입니다.
2.3.3 Crosstalk
한 신호가 송신 시스템의 한 채널이나 회로에서 전송될 때,다른 회로나 채널에 불필요한 영향을 줄 수 있습니다.
크로스톡은 전기적 및 자기적 필드 간 간섭 관점에서 어그레서 신호에서 피해 신호(일반적으로 서로 가까운 두 트랙)로 에너지가 결합될 때 발생합니다. 전기적인 필드는 신호 간 상호 용량으로 결합됩니다. 반면에 자기적인 필드는 신호 간 상호 인덕턴스로 결합됩니다.
크로스톡을 줄이는 기술
• 라우팅 제한 범위 내에서 가능한 한 신호 라인 간 간격을 넓힙니다. 공간 내의 에너지 크기는 거리의 제곱에 반비례하여 감소합니다.
• 전송 라인을 설계할 때, 도체를 가능한 한 지면 평면에 가깝게 배치합니다. 이는 전송 라인을 지면 평면에 견고하게 결합시키고 인접 신호로부터 분리시킵니다.
• 가능한 경우 차분 라우팅 기술을 구현합니다.
• 커플링을 피하기 위해 신호는 서로 직교하는 다른 레이어에 라우팅되어야 합니다.
• 신호 간 병렬 실행 길이를 줄입니다.
2.3.4 Via Stub
라우팅 된 신호가 상단 층에서 시작하여 중간 층에서 끝나면, 중간 층에서 하단 층까지 남은 부분은 Via Stub (비아 스터브) 입니다.
Via Stub는 특정 공진 주파수에서 최대 에너지를 저장하는 공진 회로처럼 작용합니다. 만약 신호가 해당 주파수 근처에 중요한 구성 요소를 가지고 있다면, 해당 신호 구성 요소는 비아 스텁이 공진 주파수에서의 에너지 요구로 인해 심하게 감쇄될 것입니다.
2.3.5 Skew and Jitter
신호는 소스에서 수신기까지 PCB 상에서 이동하는 데 유한한 시간이 소요됩니다. 신호 지연은 신호 라인 길이에 직접 비례하며, 특정 PCB 레이어에서의 신호 속도에 역으로 비례합니다. 데이터 신호와 클록 신호의 전체 지연이 일치하지 않으면, 수신기에서 감지를 위해 서로 다른 시간에 도착할 수 있으며, 이는 신호 스큐를 발생시킬 것이며, 과도한 스큐는 신호 샘플링 오류를 초래할 수 있습니다. 신호 속도가 높아질수록 샘플링 속도도 높아지며, 허용되는 스큐는 작아져서 스큐로 인한 오류 가능성이 커집니다.
2.3.6 신호 감쇄
PCB 라인을 따라 신호가 전파됨에 따라 신호는 전도 트레이스 저항으로 인한 손실(고주파에서의 스킨 효과로 인해 증가)과 유전체 재질의 소실 요인 Df로 인해 감쇠됩니다. 이 두 가지 손실은 주파수가 증가함에 따라 증가하기 때문에, 신호의 높은 주파수 성분은 낮은 주파수 성분보다 더 큰 감쇠를 겪게 됩니다. 이는 신호 대역폭의 감소를 유발하여 신호 상승 시간 증가로 인한 신호 왜곡을 야기하며, 과도한 신호 상승 시간 증가는 데이터 감지에서 오류를 발생시킵니다.
2.3.7 Ground Bounce
그라운드 바운스는 트랜지스터 스위칭 중에 발생하는 종류의 노이즈입니다. 즉, PCB 그라운드와 다이 패키지 그라운드가 서로 다른 전압을 가질 때 발생합니다.
2.3.8 Power 및 Ground 분배
전원 및 접지 레일 또는 경로 또는 평면은 매우 낮지만 유한한 0이 아닌 임피던스를 갖습니다.
장치의 출력 신호 및 내부 게이트가 상태를 전환할 때, 전원 및 접지 레일/경로/평면을 통한 전류가 변화하여 전원 및 접지 경로에서 전압이 감소합니다. 이는 장치의 전원 및 접지 핀 사이의 전압을 낮출 것입니다. 이러한 경우의 주파수가 높고, 신호 전환 시간이 빠르며, 동시에 상태를 전환하는 라인 수가 많을수록 전원 및 접지 레일 사이의 전압 감소가 커집니다. 이로 인해 신호의 노이즈 여유가 감소하며, 과도한 경우 장치의 오작동을 일으킬 수 있습니다.
2.3.9 EMI Noise
EMI는 주파수와 더 빠른 신호 상승 시간에 비례하여 증가합니다. 단일 종단 신호 전류의 경우, 방사장 멀리 있는 강도는 주파수에 비례하여 선형적으로 증가하며, 차분 신호 전류의 경우, 주파수에 제곱으로 증가합니다.