PCB 접지 설계 및 레이아웃 모범 사례
1. 접지선
접지에 연결된 모든 부품은 하나의 공통 트레이스를 통해 서로 연결됩니다. 이는 구형 PCB 설계나 간단한 PCB 설계에서 흔히 볼 수 있는 방식입니다.
2. 공통 접지면
공통 접지면은 가장 일반적인 방법 중 하나입니다. PCB 디자인회로 기판에서 회로 패턴이나 부품이 사용하지 않는 모든 빈 공간은 접지 구리로 덮여 있습니다.
공통 접지면은 PCB의 열 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 전자기 간섭(EMI)을 줄이는 데에도 도움이 됩니다.
공통 접지면
3. 전용 접지면
다층 PCB에서는 전용 접지면이 사용됩니다. 부품들은 접지 비아를 통해 접지면에 연결됩니다. 이러한 설계 방식은 3개 이상의 층으로 구성된 고밀도 복잡 PCB에서 찾아볼 수 있습니다.
전용 접지면
4. 전력 시스템 접지
전력 시스템 설비에서 모든 접지 연결은 접지 버스에 연결됩니다. 이 버스는 접지 도체에 연결되고, 이 접지 도체는 접지봉 또는 접지망에 연결됩니다.
전력 시스템 접지
접지 버스는 모든 장치의 접지선을 하나의 공통 지점으로 연결합니다. 더 나은 접지 성능을 위해서는 이 지점의 접지 저항이 5옴 미만이어야 합니다. 접지 버스를 접지봉이나 접지 그리드와 같은 접지 장치에 연결할 때는 고품질 전선을 사용하십시오.
5. 등전위 접지
등전위 접지란 보호 영역 내의 모든 전도성 부품이 동일한 접지 전위를 가져야 함을 의미합니다. 이는 장비 섀시, 금속 파이프 및 모든 접지 장치를 전기적으로 연결함으로써 이루어집니다.
등전위 접지는 해당 영역의 전도성 부품 간에 명확한 전압 차이가 발생하지 않도록 합니다. 또한 고장 발생 시 감전을 방지하는 데 도움이 됩니다.
등전위 접지
PCB 접지 설계 팁
1. 모든 PCB 연결을 완료 상태로 유지하십시오.
PCB 레이아웃에는 연결되지 않은 부분이 없어야 합니다. 보드에 빈 공간이 있다면 구리와 비아를 채워 접지면을 연결하십시오. 이렇게 하면 PCB의 모든 신호가 접지로 연결되는 명확하고 구조화된 경로를 확보할 수 있습니다.
2. 접지면
접지면을 사용하는 것은 PCB 설계자들이 가장 흔히 사용하는 방법 중 하나입니다. 접지면은 일반적으로 구리로 만들어지며, 부품이나 회로가 없는 PCB의 모든 영역을 덮습니다.
접지면에는 몇 가지 규칙이 적용되며, 이러한 규칙은 보드의 레이어 수에 따라 달라집니다. 예를 들어, 보드가 2개의 레이어로 구성된 경우 일반적으로 접지면은 아래쪽 레이어에, 트레이스와 부품은 위쪽 레이어에 배치하는 것이 규칙입니다.
지상 평면
접지면을 설치할 때는 전도성 물질로 고리 모양을 만들지 않도록 주의해야 합니다. 이러한 고리는 접지면을 전자기 간섭(EMI)에 더욱 민감하게 만들 수 있습니다. 외부 자기장이 전도성 고리에 닿으면 인덕터처럼 작용하여 접지 루프라고 하는 전류를 생성합니다. 접지 루프는 다른 회로에 간섭을 일으키고 전기적 노이즈를 발생시킬 수 있습니다.
전체 하단 레이어 아래에 접지면을 배치하고 전기 부품이 포함된 모든 부품을 제거하면 전도성 루프가 형성될 수 있습니다. 링잉 현상을 방지하려면 트레이스를 가능한 한 짧게 만들고 그 아래에 접지면을 배치해야 합니다. 또한 트레이스와 부품의 배치를 조정하여 전도성 루프가 형성되는 것을 방지할 수 있습니다.
접지 루프를 방지하기 위해 각 구성 요소는 견고한 접지면에 개별적으로 연결되어야 합니다.
접지면에 연결된 두 개의 트레이스로 형성된 접지 루프
섀시 접지를 사용할 경우, 아래 그림과 같이 섀시에 연결된 접지 부분에 간격을 두면 접지 루프를 방지할 수 있습니다. 커패시터를 사용하면 AC 접지점을 제공할 수 있습니다. 이는 벽면 전원을 사용하고 접지로 직접 귀환해야 하는 전기 장비에 이상적입니다.
접지 루프 안테나를 제거하십시오.
3. 아날로그 및 디지털 부품 배치
부품은 접지 신호층 가까이에 배치하여 귀환 경로를 짧게 하고 트레이스가 접지에 잘 연결되도록 해야 합니다. PCB에 아날로그 부품과 디지털 부품이 모두 포함된 경우 접지 연결을 매우 신중하게 배치해야 합니다. 보드의 아날로그 부분과 디지털 부분은 물리적으로 분리되어야 하지만, 전원 귀환 경로에는 연결되어야 합니다.
혼합 신호 접지 연결
일부 사람들은 디지털 접지와 아날로그 접지를 완전히 분리한 다음 페라이트 비드로 연결하는 것을 제안할 수 있습니다. 그러나 특히 회로가 매우 높은 주파수에서 작동하는 경우, 이는 해결책보다 더 많은 EMI 및 노이즈 문제를 야기할 수 있습니다.
이러한 부품들을 연결하는 좋은 방법은 전원 귀환 경로를 두 접지면 사이에 배치하여 한 부품에서 나오는 귀환 전류가 다른 접지면으로 유입되지 않도록 하는 것입니다. 두 접지면 사이의 간격에는 어떤 트레이스도 연결해서는 안 됩니다. 이렇게 하면 전류의 귀환 경로가 매우 길어지고, 이는 EMI에 매우 민감해지기 때문입니다. 접지면 사이의 공간은 ADC와 같은 혼합 신호 부품에 사용할 수 있습니다.
4. 접지면 비아
PCB 양면에 접지면이 있는 경우, 기판의 여러 지점에 배치된 비아를 통해 두 접지면이 연결됩니다. 비아는 기판을 관통하여 양면을 연결하는 구멍이므로, 비아를 배치할 수 있는 어느 위치에서든 접지면에 연결할 수 있습니다.
비아를 사용하면 접지 루프를 방지할 수 있습니다. 비아는 구성 요소를 접지점에 직접 연결하며, 이 접지점은 회로 내 다른 모든 접지점과 낮은 임피던스로 연결됩니다. 또한 비아는 리턴 루프의 길이를 단축하는 데에도 도움이 됩니다.
지면 평면 비아스
접지면은 종종 흐르는 전류 주파수의 특정 파장에서 공진합니다. 접지면 공진을 방지하려면 접지면 주변에 일정한 간격으로 비아를 배치해야 합니다. 텐티드 비아는 PCB에서 중요한 부분인데, 비아를 통해 기판 반대편으로 열을 전달하여 발열이 심한 부품을 냉각하는 데 도움을 주기 때문입니다.
PCB 레이아웃에 비아가 없는 경우, 소형 드릴로 작은 구멍 몇 개를 뚫은 다음, 그 구멍을 통해 구리선을 통과시켜 납땜하면 양쪽을 연결할 수 있습니다.
5. 디커플링
디커플링은 집적 회로 칩 옆에 LC 네트워크를 배치하여 순간 스위칭 전류를 공급하는 과정입니다. IC의 전원 핀은 외부 전원 공급 장치에 연결됩니다. 또한, 접지 핀은 PCB 접지면에 연결하기 위해 포함되어 있습니다.
칩에 공급되는 전압으로 인한 발진을 제거하기 위해 전원 핀과 접지면 사이에 디커플링 커패시터를 배치해야 합니다.
고주파 분리를 위한 올바른 배치와 잘못된 배치
디커플링 커패시터는 PCB의 기능을 향상시키고 강화하는 데 매우 중요합니다. 커패시터는 전하를 저장하도록 설계되었으므로 PCB 내의 디커플링 커패시터는 전하 저장 장치 역할을 합니다.
따라서 IC에 추가 전하가 필요한 경우, 디커플링 커패시터는 낮은 인덕턴스 경로를 통해 IC에 전하를 공급합니다. 디커플링 커패시터는 PCB 기능을 향상시키는 것 외에도 다층 기판에서 전원 공급 장치로 인해 발생하는 노이즈를 줄여줍니다. 또한, 디커플링 커패시터는 EMI(전자파 간섭)를 감소시킵니다.
6. PCB의 모든 커넥터는 접지되어야 합니다.
커넥터에서는 모든 신호선이 병렬로 연결되어야 합니다. 따라서 접지 핀을 사용하여 커넥터를 분리해야 합니다.
각 보드에는 접지에 연결된 여러 개의 커넥터 핀이 필요할 수 있습니다. 하나의 핀만 사용하면 임피던스 불일치 문제가 발생하여 발진이 일어날 수 있습니다. 연결된 두 도체의 임피던스가 일치하지 않으면 두 도체 사이를 흐르는 전류가 앞뒤로 진동할 수 있습니다. 이러한 발진은 시스템 성능을 변화시키고 시스템이 예상대로 작동하지 못하게 할 수 있습니다.
커넥터의 각 핀의 접촉 저항은 매우 낮지만 시간이 지남에 따라 증가할 수 있습니다. 따라서 여러 개의 접지 핀을 사용하는 것이 좋습니다. PCB 커넥터 핀의 약 30~40%는 접지 핀으로 사용하는 것이 바람직합니다.
커넥터는 핀 간격(피치)이 다양하며, 핀 행의 수도 다를 수 있습니다. 또한 커넥터의 핀은 PCB 표면에 평행하거나 직각으로 배열될 수 있습니다.
7. 항상 공통된 의견 일치점을 하나 제시하십시오.
단층 PCB든 다층 PCB든 모든 접지점을 연결하는 공통 접지점이 반드시 있어야 합니다. 이는 섀시의 금속 프레임일 수도 있고, PCB 상의 전용 접지면일 수도 있습니다. 이러한 공통 접지점을 흔히 스타 접지라고 부릅니다.
항상 공통된 근거를 하나 제시하십시오.
8. 직렬 비아를 최대한 줄이십시오
접지 경로에 직렬 비아의 수를 최대한 줄이십시오. 대신, 부품의 접지를 전용 접지면에 직접 연결하십시오.
보드에 비아가 추가될수록 처리해야 할 임피던스가 증가합니다. 이는 특히 빠른 과도 전류에 중요한데, 이러한 전류는 임피던스 경로를 전압 차이로 바꿀 수 있기 때문입니다.
9. 배선 전에 기초를 설계하십시오.
배선 작업을 시작하기 전에 항상 먼저 지반 설계를 하십시오. 이것이 전체 배선 과정의 기초입니다.
10. PCB 상의 전류 경로를 파악하십시오.
많은 설계자들은 신호가 어디로 가는지만 생각하지만, 모든 신호에는 접지를 통한 귀환 경로가 있습니다. 신호의 송신 경로와 귀환 경로에는 동일한 전류가 흐릅니다. 이는 전력 안정성과 접지 바운스에 영향을 미칩니다.
키르히호프의 전류 법칙을 이용하면 회로를 통해 전류가 어떻게 흐르는지 이해할 수 있습니다.
PCB 상의 전류 경로를 파악하십시오.
11. 스택업의 접지면
다층 PCB에서 전원, 신호 및 접지층의 적층 배열은 신호 무결성에 큰 영향을 미치며, 라우팅 전략에도 영향을 줍니다.
전류의 귀환 경로를 최소화하기 위해서는 접지면을 신호층에 가깝게 배치하는 것이 중요합니다. 4층 기판에서 전원면과 접지면은 일반적으로 안쪽 층에 배치되고, 신호 트레이스와 부품은 바깥쪽 두 층에 배치됩니다.
12. 지면 평면 간의 동적 차이에 대한 계획 수립
다층 PCB에서 보드 간 접지 연결을 할 때는 항상 동적 변화를 고려해야 합니다. 특히 긴 케이블이 필요한 애플리케이션에서 이는 매우 중요합니다.
이러한 경우에는 저전압 차동 신호, 광커플러 및 공통 모드 초크를 사용하여 변화를 제어할 수 있습니다.
13. 혼합 신호 라우팅 분리에 주의하십시오.
회로기판의 아날로그 부분을 분리해야 하는데, 여기에는 아날로그-디지털 변환기와 디지털-아날로그 변환기가 포함됩니다.
PCB 평면도를 설계할 때 이러한 영역들을 격리해야 합니다. ADC의 접지는 하나의 공통 접지점에 연결할 수 있으며, 디지털 신호는 해당 접지점을 통해 PCB의 나머지 부분으로 전달될 수 있습니다.
혼합 신호 평면도에 주의하세요
14. 접지 루프를 피하십시오
두 개의 트레이스에 의해 형성된 접지 루프
경험적으로 "접지 루프"라는 용어는 시스템이 접지 전위차의 영향을 받는 모든 경우를 의미할 수 있습니다. 흔한 예로는 두 모듈이 하나의 긴 케이블로 연결된 경우를 들 수 있습니다. 이 경우 케이블의 귀환 전류로 인해 한 모듈의 접지 전압이 다른 모듈의 접지 전압보다 훨씬 높아집니다. 하지만 여기서는 좀 더 구체적인 의미의 접지 루프에 대해 이야기하고 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
접지 루프
만약 여러 접지 연결에 각각 별도의 PCB 트레이스를 사용해야 한다면, 위 그림과 같은 루프를 만드는 것이 매우 쉽습니다.
접지면이 있다고 해서 접지 루프가 발생하지 않는다는 의미는 아닙니다. CAD 소프트웨어는 접지점 사이에 트레이스를 그리는 것을 막지 않기 때문입니다. 하지만 접지 연결에 항상 비아(via)나 스루홀(through hole)을 사용하면 이러한 문제는 대부분 해결됩니다. 접지면에 비아를 배치하면 부품과 접지점을 직접 연결할 수 있으며, 이 접지점은 접지 네트워크의 다른 모든 접지점과 낮은 임피던스로 연결됩니다.
접지 루프를 피하십시오
PCB 레이아웃에서 부품을 올바르게 배치하는 것이 중요합니다. 접지 루프를 방지하기 위해 부품 바로 아래에 분할 접지면 연결을 만들 수 있습니다.
접지 루프를 피하십시오
여러 서브시스템이 있는 PCB 레이아웃에서, 기판 파티션 연결이 부품 아래에서 이루어지도록 혼합 신호 부품을 신중하게 배치하면 접지 루프를 방지할 수 있습니다.
