임피던스 제어란 무엇이며, PCB에서 임피던스 제어를 수행하는 방법은 무엇입니까?

현대 전자 기기 설계에서 PCB는 매우 중요한 역할을 합니다. PCB의 성능은 전체 전자 시스템의 안정성, 신뢰성 및 전송 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 그중에서도 임피던스 제어는 PCB 설계에서 중요한 부분입니다. 현대 디지털 회로는 신호 전송 시간이 짧고 클록 속도가 높아짐에 따라 PCB 트레이스는 단순한 연결이 아니라 그에 상응하는 전송선이 되었습니다. PCB 임피던스 제어는 PCB 상의 신호 전송 속도와 임피던스 정합을 제어하여 신호 전송의 품질과 안정성을 보장하는 것을 의미합니다.

실제 상황에서 디지털 신호의 경계 속도가 1ns 이상이거나 아날로그 주파수가 300MHz를 초과할 경우 트레이스 임피던스 제어가 필수적입니다. PCB 트레이스의 핵심 파라미터 중 하나는 특성 임피던스(즉, 신호 전송선을 따라 파동이 전송될 때의 전압 대 전류 비율)입니다. PCB 상의 배선 특성 임피던스는 PCB 설계에서 중요한 지표입니다. 특히 고주파 PCB 설계에서는 배선의 특성 임피던스가 장치 또는 신호의 요구 특성 임피던스와 일치하는지, 혹은 정합되는지를 고려해야 합니다. 이는 임피던스 제어와 임피던스 정합이라는 두 가지 개념과 관련이 있습니다. 본 글에서는 임피던스 제어와 스택 설계 문제를 중점적으로 다룹니다.

PCB의 도체에는 다양한 신호가 전송됩니다. 전송 속도를 향상시키려면 주파수를 높여야 합니다. 회로 자체의 임피던스 값은 에칭, 층 두께, 배선 폭 등의 요인에 따라 변동하며, 이로 인해 신호 왜곡이 발생합니다. 따라서 고속 PCB의 도체 임피던스 값은 특정 범위 내에서 제어되어야 하는데, 이를 "임피던스 제어"라고 합니다.

PCB 트레이스의 임피던스는 유도성 및 용량성 인덕턴스, 저항, 전도 계수에 의해 결정됩니다. PCB 배선 임피던스에 영향을 미치는 주요 요인으로는 구리선의 폭과 굵기, 매질의 유전 상수 및 두께, 솔더 패드의 두께, 접지선의 경로, 배선 주변의 배선 등이 있습니다. PCB 임피던스의 범위는 25~120옴입니다.

실제로 PCB 전송선은 일반적으로 와이어 트레이스, 하나 이상의 기준층, 그리고 절연 재료로 구성됩니다. 트레이스와 기준층은 제어 임피던스를 형성합니다. PCB는 종종 다층 구조를 채택하며, 임피던스 제어 방식 또한 다양합니다. 그러나 어떤 방식을 사용하든 임피던스 값은 물리적 구조와 절연 재료의 전자적 특성에 의해 결정됩니다.

마이크로스트립은 한쪽 면에만 기준면이 있는 전송선을 가리키는 전선 스트립입니다. 상단과 측면은 공기에 노출되어 있거나 코팅되어 있으며, 절연 상수 Er을 갖는 PCB 표면에 위치하고 전원 또는 접지층을 기준면으로 합니다. 다음 그림을 참조하십시오.

참고: 실제 PCB 제조 과정에서 PCB 공장은 일반적으로 PCB 표면에 녹색 잉크를 코팅합니다. 따라서 실제 임피던스 계산 시에는 표면 마이크로스트립 라인에 대해 다음 그림과 같은 모델을 사용하는 것이 일반적입니다.

스트립라인은 다음 그림과 같이 두 기준면 사이에 놓인 전선 조각입니다. H1과 H2로 표시되는 유전체의 유전율은 서로 다를 수 있습니다.

위의 두 사례는 임베디드 IoT 지능형 하드웨어 및 기타 시스템 학습에 일반적으로 사용되는 마이크로스트립 및 스트립라인의 전형적인 예시일 뿐입니다. 코팅 마이크로스트립과 같이 PCB의 특정 적층 구조와 관련된 다양한 종류의 마이크로스트립 및 스트립라인이 존재합니다.

특성 임피던스를 계산하는 데 사용되는 방정식은 일반적으로 경계 요소 해석을 포함한 전계 해석법을 사용하는 복잡한 수학적 계산을 필요로 합니다. 따라서 특수 임피던스 계산 소프트웨어인 SI9000을 사용하면 특성 임피던스의 매개변수만 제어하면 됩니다.

절연층의 유전 상수 Er, 배선 폭 W1 및 W2(사다리꼴), 배선 두께 T, 절연층 두께 H.

W – 설계된 선 굵기

A – 에칭 손실 (위 표 참조)

선의 상단과 하단 너비가 일정하지 않은 이유는 PCB 제조 과정에서 부식이 위에서 아래로 발생하여 부식된 선이 사다리꼴 모양을 띠게 되기 때문입니다.

선 두께 T와 이 층의 구리 두께 사이에는 다음과 같은 상응 관계가 있습니다.

* 솔더 마스크 두께가 임피던스에 미치는 영향이 미미하므로 0.5mil의 상수 값으로 가정합니다.

이러한 파라미터들을 제어함으로써 임피던스 제어를 구현할 수 있습니다. 안웨이(Anwei)의 하단 PCB를 예로 들어 임피던스 제어 단계와 SI9000의 사용법을 설명하겠습니다.

두 번째 층은 접지면이고, 다섯 번째 층은 전원면이며, 나머지 층들은 신호층입니다.

설명: 중간층 사이의 유전체는 유전율이 4.2인 FR-4입니다. 상단 및 하단층은 공기와 직접 접촉하는 노출층이며, 공기의 유전율은 1입니다.

PCB 설계자는 PCB의 계층적 구조를 최대한 활용하여 임피던스 제어를 구현할 수 있습니다. 서로 다른 신호 레이어를 서로 다른 위치에 배치함으로써 층간 정전 용량과 인덕턴스를 효과적으로 제어할 수 있습니다. 일반적으로 내부 레이어에는 높은 임피던스 재료를, 외부 레이어에는 낮은 임피던스 재료를 사용하여 반사 및 누화의 영향을 줄입니다.

차동 신호 전송선은 간섭 방지 능력을 향상시키고 누화 위험을 낮출 수 있습니다. 차동 신호 전송선은 전압은 반대이지만 크기는 같은 한 쌍의 평행선으로 구성되며, 신호 무결성과 간섭 방지 능력을 향상시킵니다. 차동 신호 전송선의 임피던스는 일반적으로 선간 간격, 선폭 및 접지면 선택을 통해 제어됩니다.

PCB 라인 폭, 간격 및 레이아웃과 같은 기하학적 매개변수도 임피던스를 제어하는 ​​데 사용할 수 있습니다. 일반적인 마이크로스트립 라인의 경우 라인 폭을 두껍게 하고 간격을 넓히면 임피던스가 감소합니다. 동축 라인의 경우 내부 라인 직경을 작게 하고 외부 라인 반지름을 크게 하면 임피던스가 증가합니다. 배선 기하학적 구조의 선택은 특정 임피던스 요구 사항과 신호 주파수를 기반으로 최적화해야 합니다.

PCB 재료의 유전 상수 또한 임피던스에 영향을 미칩니다. 안정적인 유전 특성을 가진 재료를 선택하는 것은 임피던스 제어의 중요한 부분입니다. 고주파 및 고속 애플리케이션에서는 일반적으로 FR-4(유리 섬유 강화 기판), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 및 RF(무선 주파수) 라미네이트와 같은 재료가 사용됩니다.

PCB 설계를 시작하기 전에 시뮬레이션 및 설계 도구를 사용하면 설계자는 임피던스를 신속하고 정확하게 검증하고 최적화할 수 있습니다. 이러한 도구는 회로 동작, 신호 전송 손실 및 전자기 상호 작용을 시뮬레이션하여 최적의 PCB 설계 매개변수를 결정할 수 있습니다. 대표적인 시뮬레이션 도구로는 CST Studio Suite, HyperLynx 및 ADS 등이 있습니다.

PCB 임피던스 제어는 고속 디지털 및 아날로그 회로에서 매우 중요한 역할을 합니다. 합리적인 계층적 설계, 차동 신호 전송선 사용, 배선 형상 제어, 적절한 PCB 재료 선택, 시뮬레이션 및 설계 도구 활용 등을 통해 정밀한 임피던스 제어를 달성할 수 있으며, 이를 통해 회로 성능과 신호 무결성을 향상시킬 수 있습니다.