PCB 설계시 고려해야할 선

Intro

고속의 인터페이스들의 레이아웃에 대해서 정리하려고 합니다.

인터페이스들의 동작 주파수가 올라감에 따라서

초기 설계시에 라우팅 규칙을 세밀하게 확인할 필요가 있습니다.

(물론 주파수가 낮은 어플리케이션에서도 초기 설계시 세밀하게 확인해야 디버깅이 편해지겠죠?ㅎㅎ)

 

Description

USB 2.0 : PC의 각종 주변 장치들을 연결하기 위한 인터페이스 규격 중 하나.

            다양한 버전이 있고 버전별로 속도가 다릅니다. 2.0의 경우 480Mbit/s의 데이터 전송 속도.  

SSUSB : Superspeed USB는 버전 3을 일컷는 말이다. 버전 3은 부르는게 다양한데 3.0=3.1GEN1=3.2GEN1 같은 말이다.

           5~20Gbps의 전송속도를 가지고 있다. (물론 USB 2.0이나 SSUSB의 실제 전송 속도는 좀 더 느린편이다.)

SATA : 기존의 병렬 ATA의 방식의 한계를 극복하고 하드디스크 및 ODD의 성능 향상을 위해 재정된 규격.

PCIE : 메인보드의 그래픽 카드, 사운드 카드 등 각종 확장카드를 사용하기 위해 만들어진 규격.

HDMI : 디지털 방식의 영상과 음향 신호를 하나의 케이블로 동시에 전달하는 방식.

          HDMI 1.0은 4.95Gbps, 1.3은 10.2Gbps, 2.0은 18Gbps로 2.0의 경우 4K 혹은 UHD에 최적화된 규격이다.

SGMII : 네트워크 규격 중 하나로 클럭속도가 625Mhz이고 데이터를 DDR로 사용한다.

 

Critical Signals

DP : USB(Universal Serial Bus) 2.0 differential data pair, positive

DM : USB(Universal Serial Bus) 2.0 differential data pair, negative

SSTXP : SSUSB(SuperSpeed Universal Serial Bus) differential data pair, TX, positive

SSTXN : SSUSB(SuperSpeed Universal Serial Bus) differential data pair, TX, negative

SSRXP : SSUSB(SuperSpeed Universal Serial Bus) differential data pair, RX, positive

SSRXN : SSUSB(SuperSpeed Universal Serial Bus) differential data pair, RX, negative

SATA_TXP : SATA(Serial ATA) differential data pair, TX, positive

SATA_TXN : SATA(Serial ATA) differential data pair, TX, negative

SATA_RXP : SATA(Serial ATA) differential data pair, RX, positive

SATA_RXN : SATA(Serial ATA) differential data pair, RX, negative

PCIE_TXP : PCIe(PCI-Express) differential data pair, TX, positive

PCIE_TXN : PCIe(PCI-Express) differential data pair, TX, negative

PCIE_RXP : PCIe(PCI-Express) differential data pair, RX, positive

PCIE_RXN : PCIe(PCI-Express) differential data pair, RX, negative

HDMI_CLOCKx : High-Definition Multimedia Interface(HDMI) differential clock pair, positive or negative

HDMI_CLOCKy : High-Definition Multimedia Interface(HDMI) differential clock pair, positive or negative

HDMI_DATA2x : High-Definition Multimedia Interface(HDMI) differential data pair, positive or negative

HDMI_DATA2y : High-Definition Multimedia Interface(HDMI) differential data pair, positive or negative

HDMI_DATA1x : High-Definition Multimedia Interface(HDMI) differential data pair, positive or negative

HDMI_DATA1y : High-Definition Multimedia Interface(HDMI) differential data pair, positive or negative

HDMI_DATA0x : High-Definition Multimedia Interface(HDMI) differential data pair, positive or negative

HDMI_DATA0y : High-Definition Multimedia Interface(HDMI) differential data pair, positive or negative

SGMII_TXP : Serial Gigabit Media Independent Interface(SGMII) differential data pair, TX, positive

SGMII_TXN : Serial Gigabit Media Independent Interface(SGMII) differential data pair, TX, negative

SGMII_RXP : Serial Gigabit Media Independent Interface(SGMII) differential data pair, RX, positive

SGMII_RXN : Serial Gigabit Media Independent Interface(SGMII) differential data pair, RX, negative

 

일반적인 PCB 재료를 통해서 Differential signal들을 라우팅할때,

각각의 Trace of the pair는 다른 유전 상수를 가지게 됩니다.

이유는 PCB를 구성하는 섬유 유리 직물의 정적 허용률과 에폭시의 차이에 의해 생깁니다.

 

조금 더 쉽게 얘기하면 재질에 따라 유전율이 달라지고

해당 유전율에 의해 전송 속도가 달라진다고 생각하면 될 것 같습니다.

유전상수가 낮을수록 속도가 빨리 이동을하는데 디퍼런셜 신호의 경우

이러한 왜곡은 수신기에서 표시되는 디퍼런셜 아이 다이어그램의 성능을 떨어뜨리고

AC 공통 모드 노이즈를 유발하며 EMI문제를 발생시킵니다.

 

Stackups

6-Layer : signal - GND - signal - signal - Power/GND - signal

8-Layer : signal - GND - signal - signal - power/GND - signal - GND - signal

10-Layer : signal - GND - signal - signal-power - power/GND - signal - signal - GND - signal

 

PCB의 층수에 따른 Stackup 예시입니다.

예시는 예시일 뿐입니다. 층수에 따라서 PCB를 제작하는 가격이 달라지기 때문에

이런 기본 Stackup에서 부품, 배선, 원가 등을 고려해서 최적으로 Stackup을 하게 됩니다.

 

High-Speed Signal Trace Length Matching

일치되지 않은 곳의 길이를 조정해서 맞춰준다.

일치되어 있는곳을 맞춰주면 미스매칭 구간이 2군데가 되는 것이다.

부득이한 경우가 아니라면 최대한 분할된 평면을 지나가지 않도록 설계한다.

(일정한 GND를 따라서 설계를 해야합니다.)

 > 분리된 Plane 또는 void를 지나게 되면 고주파 전류가 흐르게 됩니다.

    불균형한 전류 흐름에서 방사가 발생.

    직렬 인덕턴스 증가로 신호 전달 지연

    인접 신호와의 간섭

    신호 무결성이 저하

    * 분리된 Plane을 통해 라우팅을 한다면 Capacitor를 Signal 좌우로 배치해준다.

    * 고속신호선은 라인의 시작부터 끝까지 최대한 동일한 GND기준을 유지해주어야 한다.

    * 라인이 끝나는 곳의 Stitching Via는 최대 200mils(5.08mm) 거리로 해준다.

 

고속 인터페이스 구현에서 Crosstalk을 최소화하기 위해서 신호 쌍 사이의 간격을

Trace 폭의 최소 5배 이상으로 해야합니다.

이것을 5W 규칙이라고 합니다.

 

High-Speed Differential Signal Rules

고속 차동 신호선에는 프로브 또는 테스트 포인트를 만들지 않습니다.

크리스탈, 오실레이터, Clock Signal Generator, 스위칭 파워 레귤레이터, 마운트 홀, 마그네틱 소자, 클럭 신호를 사용하거나 복제하는 IC근처에 위치하지 않는다.

가능하면 인접한 GND층을 포함해서 PCB 상단이나 하단에 위치시킵니다.

Plane의 외각에서 90mils(0.23mm) 이상의 거리로 라우팅이 되는지 확인합니다.

계산치의 1.5배로 라우팅되는지 확인합니다.Ensure that high-speed differential signals are routed at least 1.5 W (calculated trace-width × 1.5) away from voids in the reference plane. This rule does not apply where SMD pads on high-speed differential signals are voided.

Maintain constant trace width after the SoC BGA escape to avoid impedance mismatches in the transmission lines

가능하면 차등 신호선(positive and negative pair)와 신호선들간의 간격은 최대화 한다.

 

부품을 삽입하거나 Layer 이동시에 Stub가 생기지 않도록 주의한다.

고속 신호 선에는 SMD 소자가 포함되는걸 피해야한다.

신호 품질의 부정적인 영향을 줄수있기 때문이다.

만약에 SMD 소자가 필요로 한다면 최대 0603 Size가 허용되고

0402또는 더 작은 사이즈를 사용하는걸 권장한다.

배치의 경우는 좌우 대칭이 이상적이다.

 

ESD/EMI Layout Rules

ESD, EMI 보호 소자는 커넥터에 가깝게 배치합니다.

보호된 Trace와 보호되지 않은 Trace의 거리를 유지하여 EMI 커플링 최소화

Incorporate 60% voids under the ESD/EMI component signal pads to reduce losses.

공통 모드 필터에서 0402 0옴을 사용한다. 일반적으로 CMF 자체에서 더 많은 손실이 발생.

AC 커플링 캐패시터가 필요한 신호쌍은 CMF의 보호할 면에 위치시키고 최대한 CMF 가깝게 배치한다.

(VIA를 박을 경우도 마찬가지. CMF 에 최대한 가깝게 배치)

AC 커플링 캐패시터, CMF, ESD 보호 소자를 커넥터에 최대한 가깝고 짧게 배치.