PCB 설계의 신호 무결성 시뮬레이션을 위한 종합 가이드:

Fusion - Signal Integrity Extension

PCB 설계의 신호 무결성 시뮬레이션을 위한 종합 가이드: 알아야 할 사항 | 1

고속 트레이스의 임피던스를 보여주는 Fusion Electronics의 SI Extension

PCB 설계의 신호 무결성 시뮬레이션을 위한 종합 가이드: 알아야 할 사항

신호 무결성 시뮬레이션에 대한 종합 가이드가 필요한 PCB 설계자이신가요? 그렇다면 더 찾아 보실 필요가 없습니다! 본 가이드에서는 기본 사항부터 고급 개념에 이르기까지 PCB 설계에서 신호 무결성 시뮬레이션의 주요 측면에 대한 자세한 개요를 제시합니다. 여기서는 신호 무결성 의 기본 사항, 신호 무결성 시뮬레이션의 중요성, 다양한 시뮬레이션 기술, 신호 무결성 분석을 수행하는 데 사용하는 도구 및 기술과 같은 필수 주제를 다룹니다. 이 가이드를 통해 최적의 신호 무결성을 제공하는 성공적인 PCB를 설계하는 데 필요한 지식을 갖출 수 있습니다.

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신호 무결성이란 무엇인가요?

신호 무결성은 임피던스 불일치, 부유 용량, 인덕턴스, 누화, 노이즈 또는 기타 요소로 인한 신호 저하 없이 고속 신호를 전달하는 회로의 능력을 의미합니다. 이는 회로 설계의 중요한 측면인데, 그 이유는 고속 회로가 수백 메가헤르츠 내지 기가헤르츠의 주파수로 작동하고 임피던스 불일 치, 누화 또는 부유 용량이 상당한 신호 저하를 초래할 수 있기 때문입니다. 전송 중인 신호는 임 피던스 불일치, 부유 용량 및 기생 용량, 유도 결합, 또는 신호 저하를 초래할 수 있는 기타 요소 에 매우 민감하므로 신호 무결성은 모든 회로 설계, 특히 고속 회로에서 중요한 부분입니다. 고속 회로는 수백 메가헤르츠 내지 기가헤르츠 주파수로 작동하는 반면, 저속 회로는 수 킬로헤르츠 또는 수십 메가헤르츠 주파수로 작동합니다.

신호 무결성 시뮬레이션이 중요한 이유는 무엇인가요?

신호 무결성 시뮬레이션은 PCB 보드를 제작하기 전에 임피던스 불일치, 누화, 인덕턴스, 전파 지 연 및 기타 요소가 신호의 성능에 미치는 영향을 예측할 수 있기 때문에 중요합니다. 회로의 성능 을 시뮬레이션하면 이러한 각 요소의 영향을 이해하고 회로 작동 시 예기치 않은 문제를 방지할 수 있습니다. 임피던스 불일치는 신호 저하와 링잉을 초래합니다. 전파 지연으로 인해 신호가 제 때 도달하지 않으면 신호 손실과 데이터 손상이 발생합니다. 이러한 요소는 신호의 성능에 상당 한 영향을 미칠 수 있으며, 적절하게 고려하지 않을 경우 PCB에 장애가 발생할 수도 있습니다.

트레이스의 임피던스, 시간 지연, 저항, 정전 용량 및 인덕턴스를 보여주는 SI Extension의 화면 캡처

신호 무결성 시뮬레이션을 수행하면 PCB 설계의 성능을 최적화하고 이러한 결과를 얻는 데 필 요한 작업을 최소화할 수 있습니다. 프로토타입 단계에 진입하기 전에 문제를 찾을 수 있으므로 최소한의 노력으로 쉽게 문제를 해결할 수 있습니다. 신호 무결성 시뮬레이션은 설계를 최적화 하는 데 매우 유용한 도구입니다.

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신호 무결성 시뮬레이션에는 어떤 유형이 있나요? '신호 무결성 시뮬레이션'이란 용어는 일반적으로 성능을 예측하기 위한 회로의 모델링을 나타내 는 데 사용되지만, 실제로 시뮬레이션에는 물리적 모델링과 전송 선로 모델링의 두 가지 유형이 있습니다.

물리적 모델링

물리적 모델링에서는 회로의 구성 요소(예: 저항기, 인덕터, 콘덴서 등), 구성 요소 간의 상호 연 결, 이러한 구성 요소가 신호에 미치는 영향을 고려합니다. 이는 전체 회로를 고려하여 신호가 설 계를 통해 어떻게 전파되는지를 분석하는 종합 시뮬레이션입니다.

전송 선로 모델링

전송 선로 모델링은 더 간단한 형태의 신호 무결성 시뮬레이션입니다. 이는 구성 요소 간의 상호 연결만 고려하며 구성 요소 자체는 고려하지 않습니다. 회로에서 PCB 트레이스 연결을 시뮬레 이션하는 데 흔히 사용되는 '부분 회로' 시뮬레이션입니다.

이 두 시뮬레이션 유형은 서로 유사하지만, 범위와 복잡성 측면에서는 다릅니다. 전송 선로 모델 링은 회로 구성 요소 자체를 고려하지 않는 더 간단한 유형의 시뮬레이션입니다. 물리적 모델링 은 모든 회로 구성 요소를 고려하는 종합 시뮬레이션입니다.

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신호 무결성을 시뮬레이션하는 데 사용하는 도구와 기 술에는 어떤 것들이 있나요? 신호 무결성 시뮬레이션을 수행하는 데 사용하는 도구와 기술은 다양하며, 설계 요구사항과 PCB 설계 소프트웨어의 제한 사항에 따라 달라집니다.

임피던스 시뮬레이션

임피던스 시뮬레이션은 신호 무결성 시뮬레이션을 수행하는 데 널리 사용되는 기술로, Fusion Electronics의 SI Extension을 사용하여 수행할 수 있습니다. 이 익스텐션은 트레이스의 형상 을 고려하는 MoM(모멘트법) 기술을 사용하여 트레이스 단면의 임피던스를 계산합니다.

MoM 시뮬레이션

MoM 시뮬레이션 기술은 빠르고 정확하며 PCB 트레이스에 저항, 정전 용량, 인덕턴스 및 전파 지연을 제공할 수 있으므로 PCB에 적합합니다.

전자기장 시뮬레이션

커넥터와 같은 3D 구조의 영향을 고려하거나 전자기장을 전파하는 위치를 시각화해야 하는 경 우에는 전자기장 시뮬레이션을 수행해야 합니다. Fusion Electronics를 사용하면 HFSS 나 SIwave와 같은 Ansys 3D Field 솔버로 신호를 전송하여 S 매개변수 추출, 눈 다이어그램, 누 화, SSN(동시 스위칭 노이즈)을 포함한 종합 신호 무결성 분석을 수행할 수 있습니다.

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적합한 시뮬레이션 도구를 선택하려면 어떻게 해야 하 나요? 신호 무결성 시뮬레이션을 수행할 도구나 기술을 선택할 때는 설계 요구사항, PCB 설계 도구의 기능, 설계 도구의 제한 사항을 고려해야 합니다.

기능

먼저, PCB 설계 도구의 기능을 확인하여 도구가 신호 무결성 시뮬레이션에 사용할 기술과 호환 되는지 파악합니다. 시뮬레이션 기술은 저마다 다르고 요구사항도 다르기 때문에 PCB 설계 도 구가 사용하려는 기술을 지원하는지 확인해야 합니다. Fusion Electronics의 SI Extension은 매우 철두철미합니다. 이 익스텐션은 기판 및 구리의 두께, 접지면, 기판의 Dk(절연체 상수) 및 Df(손실 계수)를 기반으로 저항, 임피던스, 정전 용량 및 전파 지연을 제공합니다. 이러한 모든 매개변수는 도면층 스택 관리자를 통해 정의하므로 값을 쉽게 시각화하고 입력할 수 있습니다.

도면층과 해당 특성을 보여주는 Fusion Electronics 도면층 스택 관리자

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제한 사항

다음으로, PCB 설계 도구의 제약 사항과 이것이 시뮬레이션 결과에 미치는 영향을 확인합니다. 대부분의 High Speed PCB 설계에서는 사양을 충족하기 위해 트레이스 임피던스와 전파 지연 이 필요합니다. Fusion Electronics의 SI Extension에서 제공하는 MoM 시뮬레이션 기술은 이러한 기능을 제공하고 이 작업을 신속하게 수행합니다.

다른 시뮬레이션 기술에는 다른 제약 사항이 있습니다. 예를 들어, S 매개변수 추출 및 전파 전자 기장 시뮬레이션은 신호의 전파를 더 정확하게 표현하지만, 계산 리소스 측면에서 더 방대하며 모델을 설정하고 결과를 이해하려면 시뮬레이션 전문 지식이 필요합니다.

설계 요구사항

마지막으로, 설계 요구사항을 확인하고 회로 설계에 가장 적합한 기술이 무엇인지 결정합니다. ECAD 패키지와 통합된 시뮬레이션을 선택하면 빠르고 편리하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

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신호 무결성 시뮬레이션과 관련된 주요 단계는 무엇인 가요? 신호 무결성 시뮬레이션을 수행하려면 몇 가지 주요 단계를 고려해야 합니다. 이러한 단계는 설 계 요구사항과 시뮬레이션에 사용하는 기술에 따라 달라집니다.

누적 정의

먼저, 시뮬레이션 계산을 수행하는 데 필요한 정보를 포함하는 PCB 누적을 정의해야 합니다. 앞 서 언급한 것처럼 임피던스를 결정하는 데 사용되는 계산을 수행하려면 기판의 Dk 및 Df와 더불 어 기판과 구리의 두께를 알아야 합니다. 또한, 시뮬레이션이 트레이스 형상과 Via를 고려하는지 확인합니다. Fusion Electronics를 사용하면 누적을 그래픽으로 표시하고 나중에 조직 내 다른 사용자나 PCB 제조업체가 사용할 수 있도록 누적을 저장/로드할 수 있으므로 이러한 작업을 쉽 게 수행할 수 있습니다.

Fusion Electronics에서는 조직 내 다른 사용자나 PCB 제조업체가 저장하고 사용하는 사전 설정 누적 파일을 로드할 수 있음

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올바른 설계 매개변수 선택

다음으로, 시뮬레이션에 적합한 설계 매개변수를 선택해야 합니다. 여기에는 설계 빈도, 모든 설 계 구속조건, 설계의 트레이스와 구성 요소의 자재 및 폭이 포함됩니다. 설계 규칙 및 네트 클래 스를 사용하면 사용자가 지정한 규칙이 레이아웃에 그대로 적용되므로 설계의 일관성과 정확도 를 보장할 수 있습니다.

시뮬레이션 실행

시뮬레이션의 모든 설계 매개변수와 기술을 선택하고 트레이스를 배치했다면 이제 시뮬레이션 을 실행하여 결과를 생성할 수 있습니다. 신호 무결성 시뮬레이션에 사용하는 기술에 따라 다양 한 설계 시나리오에 대해 여러 시뮬레이션을 실행하여 설계의 다양한 변형을 고려할 수 있습니 다. 시뮬레이션에서는 이상 현상과 불연속성을 명확하게 표시해야 합니다.

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일반적인 신호 무결성 문제로는 어떤 것들이 있나요? 신호 무결성 문제는 다양한 문제를 야기할 수 있습니다. 이러한 문제는 설계의 특정 구성 요소와 각 구성 요소가 신호의 전파에 영향을 미치는 방식에 따라 달라집니다.

초과 감쇠

초과 감쇠는 신호가 지나치게 감쇠되는 경우를 나타냅니다. 이러한 현상은 설계에 정전 용량이 나인덕턴스가 많을 때 발생할 수 있습니다. 이렇게 되면 신호가 회로를 통해 전파될 때 크게 감 쇠됩니다. Df가 높은 PCB 기판은 Df가 낮은 기판보다 고주파를 더 많이 감쇠합니다.

초과 누화

초과 누화는 회로에서 누화가 지나치게 많이 발생하는 경우를 나타냅니다. 이는 두 회로가 너무 가까이 있고 상당한 누화가 있을 때 발생하는 일반적인 문제입니다.

임피던스 불연속성

임피던스 불연속성은 트레이스 형상 또는 접지면의 변경으로 인해 발생하는 임피던스의 변화 입니다. 신호가 임피던스의 변화를 겪으면 일부 신호가 반사되어 링잉과 신호 저하가 발생하고 EMI(전자기 간섭) 문제(예: 누화)가 발생할 수 있습니다.

전파 불일치

대부분의 고속 신호에서는 신호를 동시에 함께 표시해야 합니다. 전파 지연은 길이에 비례하며 PCB 기판의 특성과 트레이스 설계에 영향을 받습니다. Fusion Electronics에서 제공하는 SI Extension은 지연을 계산할 때 이를 고려합니다. 트레이스 미앤더링은 일치하지 않는 신호 지 연의 영향을 줄이는 데 사용하는 기술입니다.

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결론 신호 무결성 시뮬레이션은 엔지니어가 회로와 PCB 설계의 성능을 최적화하는 데 사용할 수 있 는 필수 설계 분석 도구입니다. 이러한 시뮬레이션 유형은 엔지니어가 업계 표준을 준수하고, 비 용이 많이 드는 실수를 방지하고, 트레이스 폭, 길이, 두께, 트레이스 간 간격을 조정하여 PCB 설 계를 최적화하는 데 도움이 됩니다. 또한, 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 접지면을 적용하고 동 일 평면상의 선을 만들어 잠재적인 EMI 문제를 해결할 수 있습니다.

SI Extension을 내장한 Fusion Electronics는 설계자에게 최신 고속 통신 표준을 준수하는 데 필요한 정보를 제공하고 기판의 변화가 임피던스와 신호 전파 지연에 미치는 영향을 설계자가 확인할 수 있도록 지원하므로 High Speed PCB 설계 적합한 도구입니다.