PCB 노이즈(Noisy) 현상들

 

1)    PCB에서 발생하는 대표적인 노이즈 현상들

 

- 링잉(Ringing)현상

 주로 클럭 등의 비교적 높은 주파수에서 전압이나 전류가 갑자기 증가되어

나타나는 일종의 진동 현상

 

 

- 그라운드 바운스 (Ground Bounce)

 파워나 신호의 리턴 전류가 흐르는 과정에서 그라운드에 원하지 않은

전압이 나타나는 현상이다. 부적절한 그라운드의 설계에서 비롯되는 경우가 많다.

 그라운드의 인덕턴스 성분으로 인해 회로의 그라운드와 실제 그라운드 사이에

 인덕턴스 성분이 있다면 TR를 Switching 할때 그라운드 바운스가 발생한다.

 

 

 

 

- 오버슈트/언터슈트(OverShoot/UnderShoot)

 입력값(구형파)에 대한 과도 특성으로 인해 출력 파형이 설정된 값보다

높게(혹은 낮게) 나타나는 현상이다.

* 임피던스가 매칭되지 않거나 긴 신호라인에 주로 발생한다 *

 

 

2)    노이즈 대책

 

1. 적절한 수동소자(R, L, C)를 이용한 필터 설계, 비드(Bead) 삽입

- 비드는(Bead)는 주로 전원의 노이즈를 막아준다, 또한 Analog Ground와 Digital Ground 사이에 비드를

  넣어줌으로서 두 Ground를 구분할 수 있다.

 

2. 올바른 부품의 배치나 패턴 설계

-> 안정된 그라운드 설계는 노이즈 문제를 해결하는 데 매우 중요한 기술 중의 하나이다.

 

 

 

3)     EMI / EMS

 

- EMI(Electromagnetic interference)

 전자파 장해(간섭) 이라고도 하며 전자 기기로부터 부수적으로 발생된 전자파가 그 자체의 기기 또는

 타 기기의 동작에 영향을 미치는 것이다.

 

- EMS(Electromagnetic Susceptibility)

 전자파 장해(EMI)하에서도 전자 기기가 정상적으로 작동되거나 보호받을 수 있는 능력

 즉 전자파에 대한 내성 전도에 의한 영향으로부터 정상적으로 동작할 수 있는 능력을 말한다.

 

 EMI와는 정 반대로 외부에서 전자 기기로 들어오는 외부 노이즈로부터 오동작을 일으키지 않는

 내부의 노이즈를 강화하는 개념이다.

 

※ EMI 는 전자 방해, 즉 노이즈를 얼마나 발생시키는가 이다.

    EMI 특성이 좋다는 것은, 노이즈 발생이 적다는 것을 의미합니다.

 

※ EMS는 전자 감수성, 즉 노이즈의 영향을 얼마나 받는가 이다.

    EMS 특성이 우수하여 노이즈의 영향을 받지 않는다」는 것을

 

- EMI에서 나타나는 대표적인 문제

 전도 노이즈(CE, Conducted Emission) : 케이블이나 PCB트레이스를 타고 전해지는 에너지

 방사 노이즈(RE, Radiated Emission) : 전자파 형태로 공간을 통해 전해지는 에너지

 서지(Surge) : 전자기기의 라인을 통해 전달되며, 전압이나 전류가 과도 파형을 일으킨다.

-> 낙뢰로 인해 전자기기의 오동작 발생, 모니터의 화면이 떨리는 현상 등등

 정전기(Electrostatic Discharge)발생 : 어떤 전자기기가 충전된 다른 전자장치에 접촉될 때

                                                              과도량의 전하를 띠게 되는 방전현상

- EMI 대책

1. 적절한 필터기술을 사용

2.  PCB에서의 올바른 그라운드 설계

방사 노이즈를 억제하기 위해서는 쉴딩(Shielding)기술을 적용해야 함

대표적인 쉴딩 기술로는 알루미늄 포일, 메탈 캡 등이 있다.

 

 

 

 

4)    고속 신호 문제

 

주파수가 높은 고속신호에 흔히 발생하는 문제

 

- 크로스토크(Crosstalk)

 PCB에서 물리적으로 접촉하지 않더라도 외부 간섭으로 자기장 교란이 발생하는 즉 의도하지 않은

 전자기 커플링이다. 주기적인 신호, 데이터 라인, 제어 신호 등에 큰 영향을 끼친다.

 

- 반사(Reflection)현상

 신호의 임피던스가 서로 맞지 않아 원래의 신호 발생지로 돌아가는 현상

 

- 지터(Jitter)

 디지털 시스템에서 흔히 발생하는 현상 시간 축에서 신호가 떨리는 현상이다.

 즉 디지털 신호의 위상이 틀어짐, 신호가 이상적으로 있어야 할 자리에서 밀려나

 변한 것이 짧게 관측되는 왜곡현상을 말한다.

 

 

- 고속신호 대책

 1. 마이크로스트립/스트립 라인의 설계기술 필요 

 2. 긴 패턴이 되지 않도록 올바른 부품 배치

 3. 적절한 그라운드 설계

 

 

 

 

 

5)    PCB 설계를 위한 기술지식 습득의 필요성

 

- PCB 설계를 잘 한다는 것은?

 1. 시스템의 구성 및 제한 규격에 정확하게 맞도록 설계

 2. 회로의 입력에 대한 출력 값이 오차 범위 내에 있도록 설계

 3. 회로 동작에 아무런 저해요소가 없어야 함

 4. 부품의 배치나 패턴 설계, 그라운드 설계가 올바르게 잘 되어야 신호라인 간의 간섭이나

     EMI 현상 이 발생하지 않음

 

 

- 부품의 배치 및 패턴 설계 기술 습득

 부품 간의 적절한 이격거리 설계, 전류랑에 따른 패턴의 두께 결정, 패턴의 폭과 길이 등의 적절한 설계

 올바른 PCB의 층 수 배열

 부품의 배치 = 패턴 설계, 패턴 설계를 고려하여 부품을 배치하여야 한다.

 노이즈에 민감한 신호라인이나 고속신호라인은 가능한 짧은 배선이 되도록 하거나, 성질이 유사한

 회로를 블록형태로 설계해야 한다.

 

- PCB 공정의 이해

1. PCB의 층 간의 높이 파악

→ 전체 PCB의 두께를 결정하거나 특정한 층의 임피던스를 맞추기 위해 필요하다.

2. 임피던스 보드 설계를 위한 그라운드와 신호 층 간의 높이 결정

→ 그라운드와 신호 층 간의 높이 결정은 임피던스 매칭을 위한 고속신호라인의 두께를 결정하는데 주요한 요소이다.

3. PCB 재질 파악

4. PCB의 두께나 동박의 두께 이해

→ 회로의 전류량에 따른 동박의 두께를 결정함, 고주파수를 다루는 PCB는 일반 PCB의 두꼐처럼

    사용할 수 없다. PCB의 두께가 두꺼우면 그라운드와 신호와의 간격이 비례적으로 높아져 PCB의

    패턴이 더욱 두꺼워져야 한다.