서론
제품 구상, 이론, 회로 설계 및 부품 선택에서 생산에 이르기까지 모든 전자 제품 설계 단계는 다른 단계와 맞물려 있습니다. 회로도는 완벽하게 설계되었고 소재도 적절하게 선택된 것처럼 보이지만, 최종적으로 PCB(printed circuit board, 인쇄 회로 기판) 제작을 하게 되면 문제에 직면하기 시작합니다. 어느 단계에서 잘못되었을까요? 소재를 다시 선택하거나 재설계를 해야 할까요? 여기에는 많은 한계와 어려움이 있습니다.
DigiKey의 강력한 도구 라이브러리에서 일부 도구와 설계 지원 툴을 잘 활용하여 실수와 우려를 줄이기만 하면 전자 제품과 엔지니어링이 훨씬 단순하고 보다 분명해질 수 있습니다. 제품을 쉽게 만들어 내는 데 도움이 되는 몇 가지 설계 단계의 도구를 소개해 드리겠습니다.
PCB 설계
무납땜 브레드보드에 초기 회로를 시제품화한 후, 다음 단계는 PCB의 레이아웃을 설계하는 것입니다. PCB는 기판으로 알려진 절연층과 신호 트레이스(trace), 전원층 및 접지층을 포함하는 전도성 동박층으로 구성된 샌드위치 모양의 기판입니다. 라우팅 레이아웃 설계는 회로 설계만큼이나 엄격합니다. 회로 설계를 극대화하고 나중에 문제가 발생하지 않도록 하기 위해서는 시스템의 무결성을 감안하고 회로의 특성을 이해할 필요가 있습니다. 트레이스 특성을 이해하면 엔지니어가 PCB에 필요한 회로와 레이어 요구사항을 신속하게 결정하는 데 도움이 될 것입니다. 다음의 두 가지 다른 시스템에 대한 PCB 설계용 체크리스트를 참고해 보십시오.
다음은 12비트 마이크로 컨트롤러를 사용한 센싱 시스템으로, 회로에는 아날로그-디지털(A/D) 변환, LCD 디스플레이 및 5V 외부 전원 공급이 포함됩니다. 전류 용량이 높지는 않지만 아날로그 회로와 디지털 회로의 배선을 서로 독립적으로 분리해야 합니다. 체크리스트는 참고용으로 제공되었습니다.
- 커넥터와 소자의 배치를 확인합니다. 고속 소자와 디지털 소자는 커넥터에 가장 가까워야 합니다.
- 회로에 접지면은 항상 하나 이상이어야 합니다.
- 전원 트레이스를 보드의 다른 트레이스보다 넓게 만드십시오.
- 리턴 전류 경로를 검토하여 접지에 연결된 가능성이 있는 잡음원을 찾습니다. 이는 접지면 모든 지점에서의 전류 밀도와 존재하는 가능성이 있는 잡음의 양을 결정함으로써 수행됩니다.
- 모든 소자를 제대로 바이패스 하십시오. 소자의 전원 핀에 최대한 가깝게 커패시터를 배치합니다.
- 모든 트레이스는 최대한 짧게 하십시오.
- 모든 고임피던스 트레이스를 따라가며 트레이스와 트레이스 간의 가능성이 있는 용량성 커플링 문제를 찾습니다.
- 혼합 신호 회로에서 신호가 제대로 필터링 되는지 확인합니다.
(출처 :A Compilation of Technical Articles and Design Notes, Analog and Interface Guide, 마이크로칩 테크놀로지)
그리고 아래는 MOSFET을 사용하여 고전류 전원 제어 장치를 만들 때 PCB 회로 설계에 대한 몇 가지 기본 규칙입니다. 경로마다 전류 요구 사항이 다르기 때문에, 서로 다른 경로에 맞게 라우팅을 설계하면 가성비를 달성할 수 있습니다.
- MOSFET과 감지 저항이 함께 동작하여 슬롯에 전원을 전달하므로, 이 부품들을 슬롯에 함께 배치해야 합니다.
- 부하에 충분한 전류를 공급합니다.
- 부하 및 감지 저항의 잡음 내성(noise immunity)을 확보합니다.
- 정밀한 전류 감지를 확보합니다.
- 온도 상승을 고려합니다.
- 고전류 라인 그룹에 대한 디레이팅 영향을 줄이기 위해 트레이스 임피던스를 고려합니다.
(출처 : PCB Layout Guidelines for Power Controllers, 텍사스 인스트루먼트)
위 두 가지 완전히 다른 유형의 제품 설계를 통해, 우리는 트레이스 폭과 관련하여 온도 변화, 전류 용량 및 임피던스 값을 포함하는 특정 요구 사항이 동일하다는 것을 알 수 있습니다. 이에, 트레이스 폭과 트레이스 임피던스를 빠르게 계산할 수 있도록 도움을 주는 다음의 PCB 설계용 도구를 소개합니다.
이 계산기는 IPC-2221의 공식을 사용하여 트레이스 온도의 증가를 지정된 제한 아래로 유지하면서 주어진 전류를 전달하는 데 필요한 PCB의 전도체인 구리 또는 "트레이스"의 폭을 계산합니다. 트레이스의 길이도 함께 제공될 경우, 전체 저항, 전압 강하, 그리고 트레이스 저항으로 인한 전력 손실도 계산할 수 있습니다.
이러한 계산을 수작업으로 할 경우, 공식 (1)을 사용하여 면적 A를 계산합니다:
IPC-2221에서 내층의 경우: k=0.024, b=0.44, c=0.725 그리고 외층의 경우: k=0.048, b=0.44, c=0.725이며, 여기서 k, b, c는 IPC-2221 곡선의 곡선 보정으로 인한 상수입니다.
다음으로, 공식 (2)를 사용하여 폭 W를 계산합니다. (참고: 회로 기판 내층의 트레이스는 기판 표면의 트레이스보다 훨씬 큰 폭이 필요합니다)
계산기에 필요한 값을 입력하기만 하면 대기에서의 PCB 내층 및 외층 모두에 대한 결과 값인 트레이스 폭 W, 저항 값, 전압 강하 및 전력 손실을 빠르게 얻을 수 있습니다. 내층과 외층 모두의 라우팅 설계에 대한 결과 값이 나란히 비교됩니다.
위에서 언급한 전원 제어 장치를 예로 들어, 전류 용량 요구 사항(I)은 0.8A로 설정하고, 주변 온도는 25°C, 동박 두께(t)는 (1온스 양면 동박 프로토타입용 기판인 MG Chemical의 587과 같은) 0.035mm, 온도 상승은 10°C, 그리고 트레이스 길이는 10인치(6"x4" PCB에서 트레이스가 방열판 영역에 가깝거나 넘어가지 않는 예상되는 길이)라면,
계산 결과는 그림 3과 같습니다:
결과는 추정치일 뿐입니다. 실제 결과는 응용 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 내층과 외층이 동시에 표시되어 강한 대비를 이루고 있어서, 엔지니어가 회로 설계를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 경제적 이점도 고려할 수 있습니다. 내층을 사용하면 전압 강하와 전력 손실은 낮아지겠지만, 트레이스 폭이 더 넓어야 해서 비용이 더 많이 들 것입니다. 필요에 따라 언제든지 파라미터 값을 수정할 수 있으며, 결과는 즉시 업데이트되어 비교하기 쉽습니다.
또 다른 유용한 도구는 IPC 2141 트레이스 임피던스 계산기입니다. IPC 2141 트레이스 임피던스 계산기는 사용자가 기본적인 파라미터만 입력하면 IPC-2141 표준에 따라 계산된 임피던스를 얻을 수 있어서 초기 설계를 보다 쉽게 할 수 있도록 도와줍니다. “마이크로스트립”, “내장형 마이크로스트립”, “에지 결합형 마이크로스트립”, “스트립라인”, “비대칭 스트립라인”, “브로드사이드 결합형 스트립라인” 그리고 "에지 결합형 스트립라인"의 7가지 트레이스 유형을 사용할 수 있습니다.
| 트레이스 유형 | 횡단면도 | 설명 |
|---|---|---|
| 마이크로스트립 |  |
한쪽이 접지면인 단순한 양면 PCB 설계의 경우, 반대면의 신호 트레이스는 임피던스를 통제하여 설계할 수 있습니다. 이 구조는 표면 마이크로스트립, 또는 보다 간단하게 마이크로스트립으로 알려져 있습니다. |
| 내장형 마이크로스트립 |  |
마이크로스트립과 비슷한 구조이지만, 신호 트레이스가 절연층 사이에 위치합니다. 이 유형의 장점은 높은 트레이스 보호와 낮은 임피던스입니다. 단점으로는 이 유형은 디커플링이 어렵고 임피던스가 너무 낮아 매칭이 쉽지 않다는 것입니다. |
| 에지 결합형 마이크로스트립 |  |
차동 신호를 라우팅하기 위한 일반적인 기술입니다. 이 트레이스 설계는 전자기 간섭을 감소시키는 이점이 있습니다. 저전압 차동 신호 전류에 의해 생성된 전자기 간섭장이 서로 상쇄되기 쉽습니다. |
| 스트립라인 |  |
이 구조는 신호 트레이스가 두 기준면 사이에 내장되어 있습니다. 신호 트레이스가 두 기준면으로부터 동일한 거리로 떨어져 있어 대칭을 이룹니다. |
| 비대칭 스트립라인 |  |
스트립라인 구조에서, 절연층 내의 신호 트레이스가 한 기준면과 더 가까워 두 기준면으로부터의 거리가 비대칭이 된 구조입니다. 전원면이 기준면으로 사용된 경우, 신호 트레이스는 일반적으로 접지 기준면에 더 가깝습니다. |
| 브로드사이드 결합형 스트립라인 |  |
BGA 설계에 일반적으로 사용하며, 기준면으로부터 동일한 거리가 떨어져 있고, 수직으로 평행 하며, 선폭은 동일한 두 개의 트레이스로 구성됩니다. 인접한 신호층에서 라우팅되는 차동 신호의 경우, 트레이스가 중첩이 되면 브로드사이드 커플링이 더욱 강해질 것입니다. |
| 에지 결합형 스트립라인 |  |
내층에 차동 신호를 라우팅하기 위한 일반적인 기술로, 두 신호 트레이스는 대칭적인 스트립라인입니다. 트레이스 사이 약간의 커플링으로 인해 이는 동일한 신호층에서 라우팅되는 차동 신호를 나타냅니다. |
표 1. 트레이스 유형에 따른 횡단면도와 설명
예제
계산기에서 트레이스 유형을 선택한 후, 임피던스를 구하기 위해 파라미터들을 입력합니다. 위 PCB 트레이스 폭 계산기에서 사용된 기판과 파라미터들을 사용하여 마이크로스트립 유형의 임피던스를 계산해 보겠습니다.
- 트레이스 폭(w) = 8.693mil, 트레이스 두께(t) = 0.035mm
- 높이(h) = 0.8mm, 유전 상수(εr) = 4.2 (출처: 500 시리즈 TDS)
114.4790Ω의 목표 임피던스(Zo)를 얻었습니다.
그림 4. IPC 2141 트레이스 임피던스 계산기의 계산 결과
이 도구의 또 다른 장점은 역으로 "트레이스 폭"을 계산할 수 있다는 것입니다. 예를 들어 임피던스 매칭을 위해 50Ω인 트레이스 폭을 찾아야 한다면 트레이스 유형과 파라미터를 사용하여 트레이스 폭을 쉽게 구할 수 있습니다.
SMD 코드 계산기
PCB 라우팅 설계 작업을 완료하고 BOM에 사용할 자재들을 선택했다면, 부품 구매가 중요한 단계입니다. 많은 엔지니어들이 비용 절감을 위해 오래된 부품을 계속 사용하려 하겠지만, 마킹을 통한 부품 식별은 번거롭고 시간이 많이 걸리는 절차입니다. 부품을 식별하는 방법으로 표면 마킹이나 실크 스크린 인쇄가 일반적으로 사용됩니다. "4밴드 저항기 색상 코드 계산기"는 오랜 기간 표준이었던 액시얼 리드형 저항의 색상 코드를 식별하기 위한 도구입니다. 이 글에서는 SMD 커패시터 코드 계산기와 SMD 저항기 코드 계산기라는 이름의 두 도구를 소개하겠습니다.
두 계산기 모두 3/4자리 코드 형식(3자리 EIA, 4자리 EIA, EIA-96/EIA-198)을 제공합니다. 코드 형식을 선택한 다음 저항/커패시터의 표면 마킹/인쇄된 숫자 또는 글자를 입력하여 저항 값을 찾거나, 또는 아래에 저항/커패시터 값을 직접 입력하여 실제 마킹을 역으로 검색할 수 있습니다. 값을 입력할 때 올바른 단위를 선택해야 합니다. SMD 저항기 코드 계산기의 저항 값 단위 옵션은 Ω, kΩ 또는 MΩ이며, SMD 커패시터 코드 계산기의 정전용량 값 단위 옵션은 mF, µF, nF 또는 pF입니다.
3자리 EIA, 4자리 EIA 그리고 EIA-96 표준의 적용과 이를 통해 배울 수 있는 예제에 대해 자세한 설명을 원한다면, 다음 두 테크포럼 게시글을 읽어 보시기 바랍니다 - "표면 실장 저항의 부품 마킹"과 “SMD 저항 코드 읽기”
EIA-198
부품 크기가 점점 작아지는 추세로 인해, 간혹 표면 공간에는 단 두 개의 코드만 넣을 수 있습니다. EIA-198 부품 마킹 시스템은 (글자 하나와 숫자 하나로 된) 두 개의 문자를 사용하며 글자는 값을 그리고 숫자는 10의 승수를 나타냅니다. 그러나 몇 가지 주의 사항이 있습니다:
- 이 시스템은 대소문자를 구분합니다. 1 또는 0과 너무 잘 헷갈리는 I나 O와 같은 골치 아픈 문자들을 제거하기 위해 소문자를 사용합니다.
- 정전용량 코드가 다른 방법들처럼 정전용량 값을 그대로 따르지 않습니다. 첫 번째 자리가 정전용량에 사용됩니다.
- 이 시스템의 단위는 여전히 피코패럿이지만, 다른 두 가지 방법에서의 승수보다 승수가 하나 더 많습니다.
“G4” 마킹을 예로 들어, “G” 코드는 1.8 그리고 "4"는 104이므로, 정전용량 값은 1.8 x 104 = 18000pF(18nF) 입니다.
코드 글자와 승수 숫자에 대한 자세한 설명은 Knowles의 Chip Marking System을 참조해 보시기 바랍니다.
요약
위에서 소개된 도구들은 DigiKey 온라인 도구 라이브러리의 일부에 불과합니다. 향후 다른 게시글에서 DigiKey의 다양한 변환기 또는 계산기에 대해 알려드릴 것입니다. 계산기는 매우 광범위한 참조 데이터를 제공하지만 인덕턴스 또는 방열판의 열적인 영향, 아날로그/디지털 접지 관리 또는 신호 감쇠, 그리고 손상 또는 오래된 저항 및 커패시터 식별과 같은 실제 응용 관련 문제를 고려하지는 않습니다. 그러나 일반적으로 이러한 도구를 잘 활용한다면 많은 도움이 될 것입니다.
PCB 설계와 저항 및 커패시터의 식별에 대한 보다 자세한 기술 정보는 아래 링크를 확인해 보십시오. 논의가 필요할 경우 게시글에 댓글을 남겨 주시면 됩니다.
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영문 원본: To Help Make Initial PCB Design and Production Easier - DigiKey’s Online Conversion Calculator