배선폭 균일하게 설계하기

배선(signal line)을 설계하다 보면 종종 있는 일은 아니지만 실수로 하나의 신호 배선을 폭을 다르게 설계하는 경우가 있습니다. 아래 그림을 보시면 이해가 되실겁니다. 보통 동일층에서는 이런 실수를 하지 않고 비아홀을 경유하면서 실수를 하곤 합니다.

배선폭을 균일하게 설계하지 않으면 발생하는 문제점

• 우선 모든 배선이 해당사항은 아닙니다.
• 해당되는 배선은 clock배선, 고속신호 배선 등 주파수 성분을 갖는 모든 배선이 해당이 됩니다.
• 예를 들어 배선이 일정하게 1mm로 가다가 갑자기 2mm로 늘어나게 된다면 그 지점에서 임피던스 매칭이 되지 않게 됩니다. 쉽게 얘기하면 그 지점에서 배선의 저항값이 바뀌게 됩니다.
• 저항값이 바뀌게 되면 그 지점에서 신호의 반사에 의한 Ringing 현상이 일어나게 됩니다.
• Ringing현상에 대해서 쉽게 설명 드리면 목욕탕에서 사람이 첨벙하고 탕 안에 뛰어들면 물의 파동이 생기는데 그 파동이 벽에 도달하면 벽에 부딪힌 후 반대방향으로 파동이 생기게 됩니다.
• 다시 말해 사람이 첨벙하고 뛰어들어 파동이 생기는 것은 신호가 출발한 것이고 신호가 목적지 까지 잘 가야 하는데 벽이라는 임피던스에 부딪혀 반대 방향으로 반사파(Ringing)가 발생하게 됩니다.
• 이 Ringing현상에 의해 방사 노이즈가 발생하게 되는 것입니다.

대책

• 간단합니다. 배선을 균일하게 설계하면 됩니다.
• 보통 PCB설계 툴에서 배선폭을 한번 설정하게 되면 그대로 유지되기 때문에 임피던스 언매칭이 발생한는 사례는 거의 없습니다.
• 간혹 배선의 임피던스 언매칭으로 일어날 문제점을 잘 모르는 설계자가 PCB의 공간 제약 때문에 의도적으로 부분부분 배선폭을 줄여서 설계하는 케이스가 있습니다.
• 저도 그렇게 설계한 케이스를 본 적도 있구요. 왜 그렇게 설계했냐고 물어보면 배선폭을 줄여 패턴 레이아웃 공간을 확보하기 위해서였다고 대답을 하더라구요.
• 앞선 사례에서처럼 배선의 impedence unmatching은 자주 나오는 문제는 아니지만 설계 변경을 하다가 가끔 실수를 하는 경우가 있습니다.
• ZUKEN사의 EMC Adviser라는 툴은 신호라인에 주파수 정보등의 속성을 입력하게 되면 시뮬레이션을 통해 신호라인의 impedence unmatching부분을 체크해 주기도 합니다.
• 이 툴은 신호라인에서 특성 임피던스의 길이의 가중평균(weighted average)도 계산해주고 표준편차(standard deviation)도 계산해서 사용자가 입력한 허용편차를 넘는지 확인해 줍니다. 정말 좋은 툴이죠. 가격은 사악합니다. 매년 수천만원의 라이센스 비용을 지불해야 하죠.
• EMC Adviser라는 툴을 쓰면 좋겠지만 앞서 설명드린 내용들을 머리속에 저장해 두고 설계를 하게 된다면 굳이 자동 시뮬레이션 툴을 사용할 필요가 있을까요?
• 이 내용을 잘 이해하셨다면 앞으로 실수는 안하시겠죠?