[Cadence PCB Blog] PCB 설계 초보자를 위한 원칙, PCB설계시 주의사항

아래 사이트에서는 Cadence사에서 정기적으로 PCB에 관한 정보를 올려준다. PCB공부 및 영어공부할 겸 번역을 올려본다. 번역에 문제가 있는 부분은 댓글로 남겨주시길 바랍니다.

 

 

(참고 사이트)

https://resources.pcb.cadence.com/blog/2021-pcb-design-principles-for-beginners?utm_source=jun21newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=pcbprinciples&mkt_tok=MDcwLUJJSS0yMDYAAAF9Z0cVdmlYXb7i-RMFYuNJAdvwmwdlQJ3CcYv5FN-nteIVikXXBQMqNTFO4fQ5kLyg-ZJz9cX2FTJVxGL7vs7YNFXXdtfwsxgH06oy0g4MESEX4A 

PCB Design Principles for Beginners

핵심 사항

• 왜 PCB설계 원칙이 중요한지 알기.
• 중요한 PCB설계 원칙 살펴보기.
• 실제로 PCB설계 원칙을 어떻게 적용되는지 찾아보기.

PCB원칙을 준수하여 Thermal issue(열 문제)를 최소화

현장에서 PCB의 동작이 안정적으로 작동하느냐, 실패하느냐의 핵심 요인은 PCB를 원칙에 기반하여 설계했느냐가 좌우한다. (실패시 시간과 돈을 낭비합니다.)

 

PCB설계는 단지 부품배치하고 라우팅하고 DRC를 통과하느냐의 문제가 아니다. 외부에서 오는 EMI(전자파)를 잘 견디고 또 EMI를 방출하지 않도록 설계를 보장해야 한다.

PCB를 원칙과 모범사례에 기반하여 설계를하면 (Thermal reliability) 열 신뢰성, (manufacturability) 제조의 가능성, (prolonged lifespan) 제품 수명 연장을 보장할 수 있다.

이러한 설계 원칙이 고품질, 고신뢰 PCB를 만드는 가이드가 됩니다.

 

가장 중요한 PCB설계 원칙

PCB설계 원칙을 지킴으로 기능성, 신뢰성, 내구성 최대화

여기 몇가지 PCB설계 원칙의 중요성을 나열하며, PCB설계시 숙고하고 있어야 한다.

 

Ground 분리

Mixed-signal (혼합 신호) 설계시, Analog신호와 Digital 신호의 Ground Plane의 분리는 중요하다.

Analog의 구성요소들은 전용 Ground Plane에 그룹화 시켜 접지해야 한다. 디지털도 마찬가지로 따로 그룹화 시켜야 한다. 두 Ground Plane은 Ground Loop를 방지하기 위해 반드시 딱 1점의 지점에서만 연결합니다.

(Ground Loop란? https://gammabeta.tistory.com/596)

 

EMI 완화

(EMI에 대해 https://ansan-survivor.tistory.com/58)

(Return Path에 대해 https://ansan-survivor.tistory.com/57)

(Current Loop에 대해: https://ansan-survivor.tistory.com/56) 

(High-speed differential signals에 대해:  https://ansan-survivor.tistory.com/21)

 

모든 PCB는 잠재적으로 EMI로부터 간섭을 받고 있거나 EMI를 발생시키는 원인 제공을 할 수 있다. 따라서 PCB Layout설계자는 아래 몇가지 사항을 고려해야 한다.

• 고주파가 흐르는 Trace와 저주파가흐르는 (또는 Analog) Trace사이의 간격을 크게 하여야 한다.
• 고속신호선의 Return Path를 최소화 하고, 고속신호선이 Reference Plane이 끊어진 부분을 지나가지 않도록 보장해야 한다. Current Loop가 작을 수록 EMI방출의 강도를 감소 시킨다.
• High-speed differential signals should be routed beside each other and be equal in length, otherwise, it would negate the noise-suppression nature of differential pairs.
• 고속 차동신호선(High-speed differential signals)은 서로 나란히 배선되며 길이가 동일해야 한다. 그렇지 않으면 차동 잡음(noise-suppression) 억제효과가 무효화 된다.
• 고속 신호가 흐르는 Trace에서는 Via가 EMI방출을 할 수 있으므로 Via사용을 피해야 한다.

PDN(Power Delivery Network) 안정성

(Bypass Capacitor 에 대해 https://ansan-survivor.tistory.com/202)

Power Delivery Network(전원 전달 네트워크)는 PCB의 다른 회로 만큼 좋아야 한다. 

이 의미는 전압 레귤레이터 모듈에서 부하에 필요한 각 부품에 충분한 최대 전류를 공급할 수 있는지 확인해야 한다.

그 외에도 전압 공급은 안정적이야 하고, 각종 부품(component)에서 발생하는 노이즈 간섭으로 부터 자유로워야 한다. 

 

레귤레이터의 출력단에 Low-Pass Filter가 포함되어 고주파 노이즈를 억제시켜야 하며, Bypass Capacitor를 마이크로컨트롤러와 같은 IC부품에 가깝게 배치하여 원치않는 부품 오작동을 예방할 수 있다. 

 

열 관리 (Thermal Management)

PCB의 부품 및 소자들이 점점 작아지면서, 열 관리는 설계에 있어 중요한 영역이 되었다. Thermal via, Heatsink(방열판), 열에 민감한 부품의 배치는 열 안정성을 보장하는데 중요하다.

 

제조 가능성 (Design Manufacturability)

(Fiducial Marker 에 대해 https://ansan-survivor.tistory.com/281)

Tooling Strip (제조 후 쉽게 절단을 위한 인위적인 Strip 등) 

조립단계에서 발생하는 문제를 피하기 위해서는 설계 과정에서 제조가능성(Manufacturability)를 염두해야 한다. 부품의 Pad 사이즈와 Fiducial marker를 올바른지, SMD를 위한 Tooling Strip이 있는지 확인해야 한다.