PCB기술 - 혼합 신호 PCB의 파티션 설계를 구현하는 방법

혼합 신호 회로 PCB의 설계는 매우 복잡합니다. 구성 요소의 레이아웃 및 배선, 전원 공급 장치 및 접지선 처리는 회로 성능 및 EMC 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 논문에서 소개하는 접지와 전원의 파티션 설계는 혼합 신호 회로의 성능을 최적화할 수 있다.

디지털 신호와 아날로그 신호 간의 상호 간섭을 줄이는 방법은 무엇입니까? 설계 전에 전자기 적합성(EMC)의 두 가지 기본 원칙을 이해해야 합니다. 하나는 전류 루프 영역을 최대한 줄이는 것입니다. 다른 하나는 시스템에서 하나의 참조 표면만 사용된다는 것입니다. 반대로 시스템에 두 개의 기준면이 있는 경우 다이폴 안테나가 형성될 수 있습니다(참고: 소형 다이폴 안테나의 방사 크기는 라인의 길이, 흐르는 전류 및 주파수에 정비례합니다). 신호가 가능한 한 가장 작은 루프를 통해 돌아올 수 없으면 큰 루프 안테나가 형성될 수 있습니다. 루프의 전류는 주파수의 제곱에 비례합니다. 이 두 가지 상황은 설계 시 최대한 피해야 합니다.

디지털 접지와 아날로그 접지 사이의 절연을 실현하기 위해 혼합 신호 회로 기판의 디지털 접지와 아날로그 접지를 분리하는 것이 좋습니다. 이 방법은 가능하지만 특히 복잡한 대규모 시스템에서 많은 잠재적인 문제가 있습니다. 핵심 문제는 분할 간격을 가로질러 라우팅하는 것이 불가능하다는 것입니다. 일단 교차되면 전자기 복사 및 신호 혼선이 급격히 증가합니다. PCB 설계의 일반적인 문제는 분할된 접지 또는 전원 공급 장치를 가로지르는 신호 라인으로 인해 발생하는 EMI 문제입니다.

우리는 위의 분할 방법을 사용하고 신호 라인은 두 접지 사이의 간격을 교차합니다. 신호 전류의 반환 경로는 무엇입니까? 두 개의 분리된 접지가 어떤 장소(보통 특정 위치의 단일 지점)에서 연결되어 있다고 가정합니다. 이 경우 접지 전류는 큰 루프를 형성합니다. 큰 루프를 통해 흐르는 고주파 전류는 복사 및 높은 접지 인덕턴스를 생성합니다. 큰 루프에 흐르는 전류가 낮은 수준의 아날로그 전류라면 전류는 외부 신호에 의해 간섭받기 쉽다. 더 나쁜 것은 분리된 접지가 전원 공급 장치에서 함께 연결될 때 매우 큰 전류 루프를 형성한다는 것입니다. 또한 긴 전선을 통한 아날로그 및 디지털 연결은 다이폴 안테나를 형성합니다.

접지로의 전류 반환 경로와 모드를 이해하는 것은 혼합 신호 회로 기판의 설계를 최적화하는 열쇠입니다. 많은 설계 엔지니어는 전류의 특정 경로를 무시하고 신호 전류가 흐르는 위치만 고려합니다. 접지선층을 분리해야 하고 칸막이 사이의 간극을 통해 배선해야 하는 경우 분할된 접지층 사이에 단일점 연결을 만들어 두 접지층 사이에 연결 브리지를 형성한 다음 배선이 수행됩니다. 연결 다리를 통해. 이러한 방식으로 각 신호 라인 아래에 직류 복귀 경로를 제공할 수 있으므로 형성되는 루프 영역이 매우 작습니다.

광학 절연 장치 또는 변압기를 사용하여 간격을 넘을 수도 있습니다. 전자의 경우 광 신호가 간격을 가로 지르는 반면 변압기의 경우 자기장이 간격을 가로 지릅니다. 또 다른 가능한 접근 방식은 차동 신호를 사용하는 것입니다. 신호는 한 라인에서 유입되고 다른 라인에서 리턴되며, 이 경우 리턴 경로로 사용할 필요가 없습니다.

디지털 신호와 아날로그 신호의 간섭을 알아보기 위해서는 먼저 고주파 전류의 특성을 이해해야 합니다. 고주파 전류는 항상 신호 바로 아래의 임피던스(인덕턴스) 경로를 선택하므로 인접 레이어가 전원 레이어이든 접지 레이어이든 상관없이 복귀 전류는 인접한 회로 레이어를 통해 흐릅니다.

실제로 PCB는 일반적으로 아날로그 부분과 디지털 부분으로 나뉩니다. 아날로그 신호는 보드의 모든 레이어의 아날로그 영역으로 라우팅되고 디지털 신호는 디지털 회로 영역으로 라우팅됩니다. 이 경우 디지털 신호의 반환 전류는 아날로그 신호의 접지로 흐르지 않습니다.

디지털 신호가 회로 기판의 아날로그 부분에 배선되거나 아날로그 신호가 회로 기판의 디지털 부분에 배선되는 경우에만 아날로그 신호에 대한 디지털 신호의 간섭이 나타납니다. 이 문제는 분할이 없어서가 아니라 디지털 신호 배선이 적절하지 않기 때문입니다.

PCB 설계는 디지털 회로 및 아날로그 회로 파티션 및 적절한 신호 배선을 통해 통합 설계를 채택하여 일반적으로 일부 어려운 레이아웃 및 배선 문제를 해결할 수 있지만 접지 분할로 인한 잠재적인 문제를 일으키지 않습니다. 이 경우 구성 요소의 레이아웃과 파티션이 디자인의 핵심이 됩니다. 레이아웃이 합리적이라면 디지털 접지 전류는 회로 기판의 디지털 부분으로 제한되고 아날로그 신호를 방해하지 않습니다. 이러한 배선은 배선 규칙을 100% 준수하도록 주의 깊게 확인하고 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 신호 라인 배선이 잘못되면 아주 좋은 회로 기판이 완전히 파괴됩니다.

/D 변환기의 아날로그 접지와 디지털 접지 핀을 함께 연결할 때 대부분의 a/D 변환기 제조업체는 agnd 및 DGND 핀을 짧은 리드를 통해 동일한 저임피던스 접지에 연결할 것을 권장합니다(참고: 대부분의 a/D 변환기 칩은 아날로그 접지와 디지털 접지를 함께 연결하지 않고 외부 핀을 통해 연결해야 함) DGND에 연결된 외부 임피던스는 기생 커패시턴스를 통해 IC 내부의 아날로그 회로에 더 많은 디지털 노이즈를 결합합니다. 이 제안에 따르면 A/D 컨버터의 agnd와 DGND 핀을 아날로그 접지에 연결하는 것이 필요하다. 그러나 이 방법은 디지털 신호 디커플링 커패시터의 접지 단자를 아날로그 접지에 연결해야 하는지 디지털 접지에 연결해야 하는지와 같은 문제를 일으킬 수 있다.

시스템에 /D 변환기가 하나만 있으면 위의 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. 그림 3과 같이 A/D 컨버터 아래에 그라운드가 분리되어 아날로그 부분과 디지털 부분이 함께 연결되어 있다. 이 방법을 채택할 때 두 접지 사이의 연결 브리지 너비가 IC 너비와 같아야 하고 신호선이 분할 간격을 넘을 수 없도록 해야 합니다.

예를 들어 시스템에 A/D 변환기가 많은 경우 10개의 A/D 변환기를 연결하는 방법은 무엇입니까? 각각의 A/D 컨버터 하단에서 아날로그 접지와 디지털 접지를 함께 연결하면 다점 연결이 되고 아날로그 접지와 디지털 접지 사이의 절연은 의미가 없습니다. 이렇게 연결하지 않으면 제조사의 요구사항에 위배됩니다.

혼합 신호 PCB의 통합 설계에 대해 의문이 있는 경우 접지 레이어를 분할하여 전체 회로 기판을 배치하고 라우팅하는 방법을 사용할 수 있습니다. 설계에서는 후면 실험에서 1/2인치 또는 0옴 미만의 간격으로 분리된 접지를 점퍼로 쉽게 연결할 수 있도록 회로 기판을 만들기 위해 최선을 다해야 합니다. 모든 레이어의 아날로그 섹션 위에 디지털 신호 라인이나 디지털 섹션 위에 아날로그 신호 라인이 없도록 구역 설정 및 배선에 주의하십시오. 또한 신호 라인은 접지 갭을 가로지르거나 전원 공급 장치 사이의 갭을 나눌 수 없습니다. 회로 기판의 기능 및 EMC 성능을 테스트하려면 0옴 저항 또는 점퍼를 통해 두 접지를 연결하고 회로 기판의 기능 및 EMC 성능을 다시 테스트합니다. 테스트 결과를 비교하면 거의 모든 경우에 통합 솔루션이 기능 및 EMC 성능 면에서 세그먼트 솔루션보다 우수함을 알 수 있습니다.

이 방법은 다음 세 가지 상황에서 사용할 수 있습니다. 일부 의료 기기는 회로와 환자에 연결된 시스템 사이에 낮은 누설 전류가 필요합니다. 일부 산업 공정 제어 장비의 출력은 고잡음 및 고출력 전자 기계 장비에 연결될 수 있습니다. 또 다른 경우는 PCB 레이아웃이 제한된 경우입니다.

혼합 신호 PCB에는 일반적으로 분할 전원 공급 장치를 채택할 수 있고 채택해야 하는 독립적인 디지털 및 아날로그 전원 공급 장치가 있습니다. 단, 전원층에 인접하는 신호선은 전원 사이의 간극을 넘을 수 없으며, 그 간극을 가로지르는 모든 신호선은 넓은 면적에 인접한 회로층에 위치해야 한다. 어떤 경우에는 한 표면 대신 PCB 연결 라인을 사용하여 아날로그 전원 공급 장치를 설계하면 전원 공급 장치 측면 분할 문제를 피할 수 있습니다.


혼합 신호 PCB의 설계는 복잡한 프로세스입니다. 설계 과정에서 다음 사항에 주의해야 합니다.

1. PCB를 독립적인 아날로그 부분과 디지털 부분으로 나눕니다.

2. 구성 요소의 적절한 레이아웃.

3. A/D 변환기는 파티션에 걸쳐 배치됩니다.

4. 땅을 나누지 마십시오. 회로 기판은 아날로그 부분과 디지털 부분 아래에 균일하게 놓여 있습니다.

5. 회로 기판의 모든 레이어에서 디지털 신호는 회로 기판의 디지털 부분에만 배선될 수 있습니다.

6. 회로 기판의 모든 레이어에서 아날로그 신호는 회로 기판의 아날로그 부분에만 배선될 수 있습니다.

7. 아날로그 및 디지털 전원 분리를 실현합니다.

8. 배선은 분할된 전원 면 사이의 간격을 가로지르지 않아야 합니다.

9. 분할 전원 공급 장치 사이의 간격을 가로질러야 하는 신호 배선은 넓은 영역에 인접한 배선 층에 위치해야 합니다.

10. 실제 흐름 경로와 반환 전류 모드를 분석합니다.

11. 올바른 배선 규칙을 사용하십시오.