[Chapter-1]  PCB의 EMC 강건설계방법: 요약가이드

안녕하세요. 20년 이상의 하드웨어 설계경력을 가진 KlayLee입니다.

이번 포스팅에서는 PCB의 EMC  강건 설계 방법에 대해서 포스팅 하려 합니다. 간단한 체크 리스트 개념으로 이해하시면 좋을 것 같습니다. 각 항목별로 어떻게 상세하게 설계해야 하는지는 포스팅을 이어나가면서 계속 설명드리도록하겠습니다. 우선 이런 것이 있다 라는 개념으로 이해하시면서 가볍게 읽어주시면 좋을 것 같습니다.

(이 내용은 ZUKEN사의 EMC Adviser를 참고로 작성하였습니다.)

1) Track Shielding

• 여기에서 track이란 clock 배선, 고속신호 배선등 주파수 성분을 가진 배선을 의미합니다.
• shield의 의미는  감싼다는 의미입니다.
• clock 배선이나 고속신호 배선에서는 방사노이즈가 발생합니다.
• 배선에서 발생하는 방사노이즈를 차단하기 위해 감싼다는 의미로 track shielding이라 표현합니다.
• 방사노이즈를 차단하기 위해 shielding을 하는 방법은 안정적인 전위를 갖는 GND나 POWER 배선을 clock배선이나 고속신호 배선 주위에 배치하면 됩니다.
• 전위의 의미는 전기적인 위치에너지 입니다. 안정적인 전위란 GND의 경우 0V이고 Power의 경우 3.3V, 5V, 12V, 24V 등 제품이 사용하는 전원입니다.
• 대책을 정리하자면 Track 주변을 Shield 하거나 via를 배치합니다. Shield나 via는 안정 전위(GND, Power)에 연결합니다.

2) Closed Loops

• Clock배선이나 고속 신호 배선의 Loop는 방사 노이즈를 증가시킵니다.
• 가능하면 Loop가 발생하지 않도록 심플한 배선을 설계하여야 합니다.
• 어쩔수 없이 Loop가 발생한다면 가능한 Loop의 면적을 최소화시켜 주세요.

3) Open Loops

• • Clock배선이나 고속 신호 배선의 Loop는 방사 노이즈를 증가시킵니다.
  • Closed Loop도 문제이지만, Open Loop도 문제를 야기합니다.
  • Loop 면적을 최소화 해 주는 게 해결책입니다.

4) Impedance matching

• • 임피던스의 단위는 ohm입니다. 저항의 단위와 같습니다. 하지만 저항과 다른점은 주파수에 따라 저항값이 달라진다는 차이점을 가지고 있습니다.
  • 신호 배선은 캐패시턴스 값과 인덕턴스 값을 갖습니다. 큰 값은 아니지만 배선을 설계하게 되면 의도하지 않은 값이 생기게 됩니다.
  • 이 신호 배선의 임피던스가 정합되지 않은 경우 신호의 반사에 의한 Ringing으로 방사 노이즈가 발생하게 됩니다
  • Ringing현상이 발생하는 원인은 배선폭을 바꾸게 되었을 경우 발생하게 됩니다. 한 신호 배선은 반드시 균일한 배선폭이 되도록 설계가 되어야 합니다.

5) XY Tracking

• • 주 배선 방향을 직각으로 배선하는 방법입니다.
  • 이렇게 설계를 하면 층간의 Crosstalk가 감소됩니다.
  • 어쩔 수 없이 길어지고 복잡한 배선의 경우 xy tracking 방법을 사용하면 방사 노이즈 감소에 효과적입니다.

6) Track Stub

• • Daisy Chain Wiring의 고속 신호 Stub는 Ringing에 의한 방사 노이즈가 발생합니다.
  • Daisy Chain의 사전적 의미는 연속적으로 연결되어 있는 하드웨어 장치들의 구성을 말하고, 여기에서 표현하는 Daisy chain이란 회로부품 간에는 Source와 Load의 개념으로 구분할 수 있는데 또다시 Source와 Load사이에는 여러 Load가 붙습니다.
  • 다시 설명 드리면 두개의 IC가 있다고 가정하겠습니다. 한개의 IC가 Sourc가 되고 다른 IC가 Load가 됩니다.
  • 이 IC와 IC 사이에 또다른 Load가 붙습니다.
  • 보통 저항이나 캐패시터가 붙는데 이 저항이나 캐패시터의 배선 길이가 가능한 짧고 동일한 길이가 되도록 설계 되어야 한다는 의미입니다.
  • Stub는 사전적 의미로 토막 또는 동물의 짧은 꼬리를 의미합니다.

7) Track Resonance

• • Clock 배선이나 고속 신호의 배선 길이가 길어질 경우 신호 주파수의 고조파가 배선과 공진을 일으키게 됩니다.
  • 공진이 일어나면 배선 스스로 안테나로서 동작을 해 버리기 때문에 방사 노이즈가 발생하게 됩니다.
  • 해결 방법은 source와 load간 배선 길이를 가능한 짧게 해야 합니다.

8) Return Path Track

• • 신호 배선에서는 Return 전류에 의해 Loop를 일으키고 이 Loop는 방사노이즈를 발생시킵니다.
  • Clock 배선이나 신호 배선의 전류는 GND 경로를 통해서 Driver IC로 돌아오는 경우가 있습니다.
  • 대책으로 가능한 Shield 배선을 신호배선 주위에 깔아줍니다. 그리 GND배선은 크게 해 주면 효과적입니다.

9) Decoupler Placement

• • Decoupler의 의미는 신호와 노이즈를 분리시킨다는 의미입니다.
  •  Decoupler로서 보통 Capacitor을 많이 사용합니다. 전원단에 실장을 합니다.
  • Decoupler placement의 의미는 전원단에 실장할 capacitor를 가능한 짧은 배선으로 실장하라는 의미입니다.

10) Component Placement

• • 고주파 부품을 기준 부품에 가깝게 배치하면 전원 공급 경로가 작아지기 때문에 방사 노이즈가 감소합니다.
  • 그리고 Ground bounce 감소에 효과적입니다.
  • 여기서 Ground bounce란 노이즈에 의해 ground의 전압이 변하는 현상입니다.
  • 대책으로 slew rate가 높은 부품은 기준 부품에 최대한 근접하게 배치해야 합니다.
  • slew rate란 출력이 입력신호에 얼마나 빨리 응답하며 변화할 수 있는가를 의미합니다.

11) Isolated Area

• • PCB설계를 하다 보면 동박이 아무것도 연결되지 않은 상태로 설계가 되는 경우가 있습니다.
  • 즉 고립된 영역이 생기게 되는데 이 고립된 영역은 면 자체가 안테나가 되어 방사노이즈를 발생시키거나 정전기들이 모여 오동작 또는 회로부품을 파손의 원인이 됩니다.
  • 이런 고립된 영역은 반드시 안정적인 전위에 연결해 주세요. 보통 안정적인 전위는 GND입니다.

12) Overlapping planes

• • Power면의 overlapping은 power끼리 노이즈를 전달하면서 오동작의 원인이 됩니다.
  • 예를들어 PCB 1층에는 5V 전원이 있고 바로 아래 2층에 3.3V 전원층이 오버랩 되어 있다면 전원단끼리 노이즈가 전달될 수 있습니다.
  • 대책으로 서로 다른 Powr가 overlapping이 되지 않도록 layout 변경이 필요합니다.

13) Via concentration

• • 전원층 또는 GND층에 via가 집중되면 리턴 경로가 길어져서 방사 노이즈가 증가하고, 면의 임피던스의 비정합으로 인해 Ground bounce가 발생합니다.
  • 대책으로 via의 집중적인 배치를 피하고, 신호선의 Return 경로 주변에는 가급적 via를 배치하지 않는 것이 좋습니다.

14) Track Shield Planes

• • Shield plane이 부족할 경우 노이즈가 증가하고 Return경로가 길어지게 됩니다.
  • 대책으로 신호선에 적절한 shield면을 배치하고 slit상에는 배선을 하지 않아야 합니다.

15) Termination

• • 신호 배선에서 termination을 해줄 경우 신호 반사에 의한 ringing을 억제해 주고 방사 노이즈 감소에  효과적입니다.
  • 대책으로 최대한 배선을 짧게 하고 termination 저항을 달아주세요.

16) Track Mitering

• • 90도로 배선을 처리할 경우 안테나가 되어 방사 노이즈가 발생합니다.
  • 배선의 coner처리르 45도로 하면 방사 노이즈 감소에 효과적입니다.

17) Track Length

• • 고속신호의 배선 길이가 길 경우 방사 노이즈가 증가하고 신호의 지연이 발생할 가능성이 높아 오동작 가능성이 있습니다.
  • period(신호주기), Rise time속성을 갖는 배선은 가능한 짧게 설계합니다.

18) High speed Wiring Layer

• • 고속 신호의 배선이 GND layer에 인접해 있지 않으면 EMI에 악영향을 줍니다.
  • 대책으로 고속 신호 배선은 GND layer의 인접층에 배선해 주어야 합니다.

여기까지 PCB의 EMC 강건 설계 방법에 관해서 체크 리스트 형식으로 간단하게 알아보았습니다. 어떠신가요? 위의 모든 사항들을 완벽하게 지켜 가면서 설계가 가능할까요? 거의 불가능합니다. 이유는 한정된 PCB사이즈 안에 모든 방법을 다 적용하려면 PCB 사이즈가 훨씬 커져야 합니다. 그렇다면 PCB사이즈를 키우면 되는 것 아닐까요??? 불가능합니다. 제품의 개발은 디자인이 최 우선시 됩니다. 사람이 물건을 구매할 때 가장 중시하는 것은 디자인입니다. 소비자는  PCB의 외형 사이즈나 EMC설계 관련해서는 관심도 없고 당연히 전자파 시험과 같은 처음 들어보는 평가항목은 통과가 당연하다고 생각합니다. 그렇습니다. PCB 외형 사이즈가 어떻든 간에 엔지니어들은 주어진 설계 조건에 맞춰서 문제없는 설계를 완벽하게 해내는게 엔지니어의 책무인 것입니다. 경험상 위의 체크리스트를 완벽하게 만족하면서 설계를 한다고 하더라도 완벽한 EMC설계는 되지 않습니다.  그저 PCB 설계시에 최적의 EMC 가이드인 것이죠.

그럼 위에 소개된 18가지의 EMC 설계가이드중 모든것을 다 반영하기 어렵다면 무엇부터 우선순위를 두고 설계를 해야 할까요?  저의 경우에 20년 설계 경력이 있다보니 상황에 따라서 판단을 하지만, 대부분의 회사들은 반드시 지켜야 할 항목들을 미리 정해놓고 설계 체크리스트로 관리를 합니다. 그 체크리스트가 위의 18가지 항목에서 크게 벗어나지 않습니다. 어느 대기업의 경우에는 위의 18가지 항목중에 3~4가지만 체크리스트에 넣어두고 중점 관리를 하기도 합니다. 그럼 나머지 항목들은 필요가 없다는 얘기일까요? 그건 아니고 모든 항목들을 반영해서 설계를 하다보면 설계 시간이 기하급수적으로 늘어나게 되고 모든 항목들을 만족하며 설계하기는 불가능에 가까우니 가장 중요하다고 판단되는 3~4가지 항목만 설계에 반영하고 최종 제품평가때 발생하는 EMC 평가 NG  내용들은 그때 해결하겠다는 정책으로 이해하시면 좋을 것 같습니다.

EMC설계라는게 참 어렵습니다. 최소 10년 정도는 경험이 필요하다고 생각됩니다. 이글에서는 단순히 PCB의 EMC 강건설계에 대해서 다루고 있지만 회로설계를 알아야 EMC강간 PCB 설계가 가능하고, PCB가 기구와 어떻게 조립되는지 이해해야 설계 초기단계부터 EMC 강건설계가 가능합니다. 그리고 어느정도 소프트웨어 지식도 있어야 회로나 PCB설계로 불가능한 EMC 불구합 문제를 해결할 수 도 있는 경우가 있습니다. 필자는 20여년간 설계 경력이 단순히 회로설계만 있는게 아닌 기구설계 매니저, 하드웨어설계 Reviewer, 소프트웨어 엔지니어 등을 경험하다보이 EMC를 바라보는 관점이 많이 넓어진 것 같습니다. 이 카테고리에서는 PCB의 EMC 강건설계 방법에 대해서 우선 하나씩 다루도록 하겠습니다. 하드웨어나 기타 다른 내용들에 관해서는 다른 카테고리에서 많은 내용들을 다뤄 보도록 하겠습니다.

설계에 관심이 있는 일반인 또는 설계에 입문한 신입사원들에게 많은 도움이 되는 글이 되었으면 좋겠습니다.

그럼 다음 포스팅에서 뵙겠습니다.