PCB 설계 시 전자기 호환성에 대한 몇 가지 간단한 지침을 따르면 시간과 비용을 절약할 수 있으며 시뮬레이션 소프트웨어가 도움이 될 수 있다.
PCB의 모든 고속 신호는 기준 평면을 참조해야 한다. PCB에 흐르는 전류는 전체 회로 루프를 완료하고 기준 평면을 통해 다시 소스로 돌아와야 한다. 귀환 전류는 항상 최소 “저항” 경로를 선택하며, 루프 인덕턴스를 최소화하기 위해 입사 전류 경로와 관련하여 가장 작은 루프를 형성한다.
Signal reference가 올바르게 포함되어 있지 않은 경우 제품에 잠재적인 EMI 문제가 발생할 수 있다. 몇 가지 중요한 Signal reference 관련 설계 지침을 알아보자. 또한 내장된 EMI 스캐너를 통해 Ansys SIwave가 PCB의 자동 및 사용자 지정 가능한 Signal reference 규칙 검사를 통해 잠재적 문제 영역을 식별하는 방법을 살펴볼 것이다.
Rule 1: Net Changing Refernce
일반적으로 고속 신호 트레이스는 PCB의 vias를 통해 여러 레이어를 변화시킨다. 이 과정에서 귀환 전류가 두 레이어 사이에서 어떻게 흐르는지를 간과하기 쉽다. 트레이스가 상위 레이어에 있을 때는 Plane 1을 참조하고 via를 통해 하위 레이어로 이동할 때는 Plane 2를 참조하게 된다. 이때 귀환 전류 경로가 끊어지면 의도하지 않은 EMI 문제와 via 영역에서 원치 않는 방사가 발생할 수 있다.
Reference 변경이 불가피한 경우 두 Reference Plane은 스티칭 커패시터 또는 via를 통해 연결되어야 한다. 이러한 요소들은 신호 전이 영역에 최대한 가깝게 배치되어야 하며, 귀환 전류가 가능한 가장 짧은 루프를 형성하도록 해야 한다.
Rule 2: Net Near Edge of Reference
트레이스가 기준 평면의 가장자리 근처로 라우팅되지 않으면 전기장이 트레이스에서 기준 평면으로 잘 결합되고 PCB 내부에 안정적으로 포함된다. 반면 트레이스가 기준 평면의 가장자리 근처로 라우팅되면 E-필드 라인이 PCB 외부로 누설될 수 있다.
누출된 E-필드 라인은 시스템 내 인접 보드의 트레이스에 의도하지 않은 커플 링을 유발할 수 있다. 또한 전기장이 시스템 외부로 연결된 케이블에 결합되면 원치 않는 방사 및 방사 방출 문제가 발생할 수 있다.
Rule 3: Net Crossing Split
때때로 PCB 설계자는 고속 트레이스 참조 평면에 분할(Split)을 도입할 수 있다. 이 경우 귀환 전류는 분할 영역을 우회하여 흐르게 되며, 이는 더 긴 전류 경로와 더 높은 루프 인덕턴스, 그리고 EMI 문제를 유발한다.
분할은 가능하면 피하는 것이 권장되지만, 불가피한 경우에는 스티칭 커패시터를 사용하여 분할 구간 전체에 고주파 귀환 전류 경로를 제공할 수 있다. 이 커패시터는 가능한 한 신호 교차 지점에 가깝게 배치되어야 한다.
Net Crossing Split 예: 시뮬레이션과 실제 테스트 요구 사항과의 관계
PCB 예에서 EMI 스캐너의 네트 교차 분할 규칙은 네트 SPI1_SCK가 참조 평면의 서로 다른 분할 영역을 교차하는 지점을 식별하고 이를 위반 항목으로 보고한다.
이 문제를 해결하기 위해 각 분할 영역 근처에 두 쌍의 스티칭 커패시터(0.1μF)를 배치하여 귀환 전류 경로를 안정적으로 연결하도록 구성한다.
이후 커패시터 적용 전후 조건에 대해 SIwave 근거리장 분석을 수행하면, 신호가 분할 영역을 교차하는 구간에서 EMI 스캐너 위반 항목이 제거되고 근거리 전자기장 레벨 또한 감소하는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 자동차 부품은 1미터 거리 기준 CISPR 25 방사 방출 규격에 따라 평가된다. PCB의 원거리장(Far-field) 분석 결과, 스티칭 커패시터를 적용할 경우 30MHz~1GHz 대역에서 방출 레벨이 약 5~10dB 감소하는 효과를 확인할 수 있다. 반면 커패시터가 없는 경우 특정 주파수 대역에서 CISPR 25 기준을 만족하지 못하는 방사 방출 특성이 발생할 수 있다.
신호 참조 관련 PCB 설계 지침인 net changing reference, net near edge of reference, net crossing split은 PCB 수준의 EMI 문제를 예방하는 데 매우 중요한 역할을 한다.
또한 PCB 수준에서 SIwave의 EMI 스캐너 시뮬레이션을 활용하면 잠재적인 EMI 문제를 설계 초기 단계에서 조기에 식별할 수 있으며, PCB 설계자는 설계를 수정한 뒤 반복 시뮬레이션을 통해 실제 시스템 시험 이전에 설계 신뢰성을 확보할 수 있다.
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