SI/PI 의기본개념및 EMC 관점에서의중요성 EMC & NOISE Engineering Service Product / System / EFS / EMC Management Plan. 2016 CST SI / PI / EMC Conference http://www.enrc.co.kr Copyright 2016 E&R TECH. All rights reserved.
PI (Power Integrity) 의기본개념 SI (Signal Integrity) 의기본개념 3 24
PI (Power Integrity) 설계 [1] PI (Power Integrity) 설계란? PI(Power Integrity) 란우리말로 전력무결성 이라하며간단히말하여깨끗한전원공급을위한모든과정을말함 PCB 레벨에서는기본적인동작을위해서는주요 IC 들에전원을공급해주는일이가장중요하며 공급되는전원과전력이얼마나안정적인가 가주요한문제 전원의노이즈는전원그자체를깨끗하게만드는과정보다전원을공급하는선로와체계를어떻게효율적으로만드느냐가더큰문제 출처 : http://www.redsalt.com/service/automotive-systems
PI (Power Integrity) 설계 [2] PI (Power Integrity) 설계란? 이상적인직류전원공급시스템은다음과같은특성을가짐 1. 일정한직류전압을부하 (load) 에공급한다. 2. 부하에의해발생하는교류노이즈를다른곳으로퍼뜨리지않는다. 3. 전원과접지사이의교류임피던스값이 0 Ω 이다. 전원노이즈는적절한전원디커플링, 전원그리드, 또는전원판을이용한전원공급시스템등의방식을적용하여줄일수있음 하지만이러한방식들이바람직한것이기는해도접지시스템만큼중요하지는않음 PCB 에서이용가능한모든공간을최선의접지시스템을만드는데활용하고전원노이즈대책을수행하는것이효율적
PI (Power Integrity) 설계 [3] PCB 전원구조 Connector Bypass cap. Chip VRM BULK Cap. Decap. Chip 전원 PDN ( 와이어및컨넥터 ) Chip 및 VRM PDN ( 보드레벨 ) Chip 기본적인 PCB 의전원구조는외부전원을인가하기위한 PDN (Power Delivery Network) 을통해외부전원을바로쓰는칩이나 VRM (Voltage Regulator Module) 에전원공급 VRM 에공급된전원은스위칭등의작업을통해전원레벨변경을통해이에맞는칩들에전원이공급되며보드레벨의 PDN 이용
PI (Power Integrity) 설계 [4] PCB 임피던스 DC vs AC DC Impedance AC Impedance Z PCB = R Z PCB = R + jωl + 1 jωc ω = 2πf DC = AC (f=0) 일때이며이때아래식과같이인덕터는 Short 커패시터는 Open 으로동작 f = 0, Z L = j2π 0 L = 0 Z C = lim n 1 j2πc =
PCB 기생성분의이해 [1] PCB 구성요소의주파수별임피던스특성 소자저주파고주파임피던스특성 선로 ( 와이어 ) (Lumped version) Z Resonant wavelength at high frequencies f 저항 Z f 커패시터 Z f 인덕터 Z f [1] David M. Pozar, Microwave Engineering, 3rd, U.S.A.: John Wiley & Sons, Inc, 2005.
PCB 기생성분의이해 [2] PCB 소자기생성분 SMD 타입저항, 인덕터, 커패시터 저항인덕터커패시터 구조 특성
PCB 기생성분의이해 [3] PCB 자체기생성분 Port PCB 전원단을구성하는요소로는 PCB 유전체와전원레이어및그라운드레이어로구분할수있음 전원단과그라운드단사이임피던스에영향을미치는요소또한 PCB 유전체값과전원단과그라운드단크기및두단간거리 ( 두께 ) 로구분 이는아래커패시터와같은구조로동작 A d C A d [2] Power Integrity Workflow: from IR-Drop to Target Impedance Calculation, CST STUDIO SUITE 2012, System Integrity Workshop Series
PCB 기생성분의이해 [4] PCB 전원단임피던스해석및측정 [2] Power Integrity Workflow: from IR-Drop to Target Impedance Calculation, CST STUDIO SUITE 2012, System Integrity Workshop Series
PCB 기생성분의이해 [5] 공진의이해 직렬공진 병렬공진 R L I + V - I C + V - C L R Z ( ) in Z in Z ( ) in Z in R R 0.707 R BW 0.707R BW 0 1 / 0 0 1 / 0 Z in = R + jωl j 1 ωc ω o = 1 LC Z in = 1 R + 1 jωl + jωc 1 ω o = 1 LC
PCB 기생성분의이해 [6] 커패시터 Capacitance: 전하를저장하는능력 " C = Qstored/V DC Response: Qstored = 0. (Open circuit) AC Response: Qstored 0. d 커패시터양단의전압과전류의관계 : A Capacitance C 의정의 : 커패시터에저장되는전하량 C = εa d Q = CV 여기서 ε 은도체판사이의유전율, A 는도체판의면적, d 는도체판사이의거리
PCB 기생성분의이해 [7] 커패시터의종류 #1 CAPACITORS ELECTROSTATIC ELECTROLYTIC CERAMIC FILM ALUMINUM TANTALUM 무극성 Lower Capacitance 유극성 Higher Capacitance + -
PCB 기생성분의이해 [8] 커패시터의종류 #2 CERAMIC CERAMIC FILM FILM TANTALUM ALUMINUM 1.0pF 0.10uF 10uF 1000uF CERAMIC : 세라믹을유전체로사용한커패시터 FILM : 세라믹에비해고주파특성이나온도특성이양호함 ALUMINUM : 전기분해에의한산화피막을유전체로사용하며양극에알루미늄사용 TANTALUM : 알루미늄전해콘덴서와동일하나양극에탄탈륨을사용하여알루미늄전해커패시터에비해용량은작지만주파수특성이나온도특성이좋음
PCB 기생성분의이해 [9] 커패시터용도 디커플링 (Decoupling) : 전원공급회로망으로주입되는 RF 에너지제거하며부품에전력을공급하는국부전원의역할을하며기판에서전파되는피크전류서지를줄임 바이패싱 (Bypassing) : 부품이나케이블로부터불필요한공통모드 RF 에너지를제거하는교류경로를제공하며대역폭제한과같은필터기능으로도사용 벌크 (Bulk) : 일정한 DC 전압과전류를유지하기위해사용
PCB 기생성분의이해 [10] 커패시터등가모델 모든커패시터는 C 성분뿐만아니라 L, R 성분도가진 RLC 회로임 d A R L C R L 여기서 L은리드길이에따른인덕턴스이며, R은리드의저항, C는커패시턴스임. 등가된커패시터의전체임피던스는다음과같으면 2πfL 1 일때저항성분만남아임피던스가가장낮아공진이발생함 2πfC Z = R s 2 + 2πfL 1 2πfC 2, f r = 1 2π LC
PCB 기생성분의이해 [11] 커패시터의인덕턴스성분 공진주파수에서의임피던스는등가직렬저항성분에의해결정되는반면공진주파수는등가직렬인덕턴스성분에의해결정됨 이를알아보기위해 TH(Through Hole) 타입과 SMD(Surface Mount Device) 타입인멀티레이어세라믹커패시터의공진주파수변화는다음과같음 TH Type SMD Type f r 2 1 LC TH 타입의세라믹커패시터는리드길이즉인덕턴스성분의변화로공진주파수가변하는것을알수있음
PCB 기생성분의이해 [12] 주파수별사용커패시터 Mag. of Z Z target Z f 1 khz 1 MHz 100 MHz 1 GHz Switching Power Supply Bulk Capacitors Ceramic Capacitors Power/Ground Planes Buried Capcitance
PCB 노이즈성분 [1] PCB 전원단노이즈및발생원리 #1 Connector Bypass cap. Chip VRM BULK Cap. Decap. Chip 케이블및선로 드라이브 IC 등
PCB 노이즈성분 [2] PCB 전원단노이즈및발생원리 #2 V cc Current I L + I d I d I L IN OUT Voltage t I d GND t 과도부하전류 I L 은논리게이트가 low 에서 high 로변하는경우부하커패시터스를충전하기위해형성 순간내부전류 I d 은두논리게이트가동시에 On 되거나외부부하와연결되지않는경우형성
PCB 노이즈성분 [3] 주파수별전류귀환경로 선로 로드 선로 로드 드라이버 IC 드라이버 IC 저주파 : 그라운드전영역에분포 고주파 : 전송선로아래로분포 전류는낮은임피던스경로로흐름 저주파 : Resistance dominant 길이가짧은경로 고주파 : Inductance dominant 작은루프 Current Return Path = Signal Return Path = Ground Return Path = Return Ground Path
PI(Power Integrity) 대책설계 [1] 전원디커플링 전원디커플링은어떤회로의기능이그회로에전원을공급하는전원버스에의해영향을받지않게하는방법 전원디커플링의이점 1 한 IC 가다른 IC 에주는영향을최소화, 즉 IC 사이의결합 (inter-ic coupling) 을감소 2 전원과접지사이의임피던스를낮게하여 IC 가설계자의의도대로동작, 즉 IC 내부의결합 (intra-ic coupling) 을감소 디커플링커패시터의목적 1 IC 근처에서전하 (charge) 를제공 2 IC 논리상태가변할때필요한과도전류를낮은임피던스경로를통해공급 3 전원과접지사이의교류임피던스를낮춤 [3] Henry W. OTT, Electromagnetic Compatibility Engineering, John Wiley & Sons, Inc, 2009
PI(Power Integrity) 대책설계 [2] Decap. 실장방법 GND IC V GND IC V 한시정수의커패시터다량사용 시정수가다른커패시터사용 L or Bead GND V GND V IC IC 필터형태의 LC 사용 X2Y 계열의고효율커패시터사용
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [1] SI (Signal Integrity) 설계란? Transmitter Interconnect Receiver Transistors Sources Clocks Memory Circuit elements Transmission lines S parameter blocks Transistors Passives memory SI (Signal Integrity) 란사전적의미는 신호의완벽함및무결점 이란뜻으로신호전달에있어서결함이없는, 즉안정적이고타당성있는로직레벨을갖고, 적기에정밀배치가가능하고, 신호전달문제가발생되지않는다는것을의미 EMC 관점에서는신호의성능적인측면과 EMI 적인측면사이의규형을맞추는과정이며무결점신호를유지하면서전자파안전성을고려하는것은힘들기때문에, 시스템개발자들을가장힘들게하는난제중하나
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [2] SI (Signal Integrity) 잠재잡음원 EMI Problem Z S Z 0 Z I 인터커넥트 : * Reflections * Stub ringing * Crosstalk * Simultaneous switching * Losses, dispersion Crosstalk V S V in V i V r Vout Radiation SI Problem 소스인터커넥트로드 드라이버 : * Power-supply noise * Simultaneous switching * Crosstalk in Package 리시버 : * Reflections * Simultaneous switching * Power-supply noise * Self oscillation 반사 (Reflection) 접지변동 (Ground Bounce) 누화 (Crosstalk) 기준 ( 접지 ) 정확도 (Reference Accuracy) 온도오프셋 (Thermal Offset) 접지오프셋 (Ground Offset) 파워 / 그라운드노이즈 (SSN) 트레이스의 IR 전압강하 종단잡음 (Terminator Noise)
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [3] 주 SI 노이즈저감키포인트 1. 반사 (Reflection) 노이즈임피던스변동을최소화!!! 2. 누화 (Crosstalk) 노이즈의도치않은커패시티브 & 인덕티브커플링노이즈최소!!! 3. 기준 ( 접지 ) 정확도 (Reference Accuracy) 신호기준면보장 ( 분할된접지면회피 )!!! 4. 파워 / 그라운드노이즈 (SSN) 노이즈파워 / 그라운드단임피던스최소화!!!
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [4] 반사 (Reflection) 노이즈 #1 Driver 72 mm PCB 트레이스 Receiver Low Impedance (~ 50 Ohms) High Impedance [4] Dr. Eric Bogatin, CTO, Taking the Mystery out of Signal Integrity, GigaTest Labs
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [5] 반사 (Reflection) 노이즈 #2 72 mm PCB 트레이스 72 mm PCB 트레이스 직렬종단 (~40 Ohm) [4] Dr. Eric Bogatin, CTO, Taking the Mystery out of Signal Integrity, GigaTest Labs
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [6] 반사 (Reflection) 노이즈 #3 ρ=-0.67 ρ=1 V reflected = 1 V V measured = 2 V TD = 1 nsec V incident = 1 V Z 1 Z 2 = OPEN 10 Ω 50 Ω Ω 1 v 0.84 v V = 0.84+0.84 = 1.68 v (t=1nsec) 0.84 v 2.0-0.56 v V = 1.68+-0.56+-0.56 = 0.56 v (t=3nsec) 1.5-0.56 v Voltage, V 1.0 0.5 0.38 v 0.38 v V = 0.56+0.38+0.38 = 1.32 v (t=5nsec) 0.0 0 5 10 15 20 25 30 Time, nsec [5] Eric Bogatin, Signal Integrity - Simplified, Prentice Hall
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [7] 누화 (Crosstalk) 노이즈 #1 누화 (Crosstalk) 노이즈메커니즘 Mutual capacitance Mutual inductance Aggressor C m Aggressor L m Victim Victim I noise,c m C m dv driver dt V noise,l m L m di driver dt Mutual Capacitance, Cm Mutual Inductance, Lm
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [8] 누화 (Crosstalk) 노이즈 #2 S V CASE 1 W S1 W S CASE 2 Ground S2 S G CASE 3 r t H V FR4 V 변수값명세 t 36 um 금속두께 H 0.8 mm 기판높이 W 1.488 mm trace 폭 S1 1.488 mm 기판사이거리 1 S2 4.464 mm 기판사이거리 2 r 4.4 기판유전율 S - 신호원 trace V - 피해 trace G - guard trace 누화노이즈감소를위해서는신호라인과피해라인사이에그라운드트레이스를이용하면효과적임 Case 별누화정도예 S1
Voltage [ V ] Voltage [ mv ] 보드 SI (Signal Integrity) 설계 [9] 누화 (Crosstalk) 노이즈 #3 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V s 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 CASE 1 CASE 2 CASE 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time [ ns ] Time [ ns ] CASE 1 CASE 2 CASE 3 FEXT 71.92 mv 23.30 mv 15.33 mv 누화 (Crosstalk) 노이즈저감을위해대책의경우효과가큰순서는거리이격, 그라운드트레이스삽입순으로효과적임 [6] Felix D. Mbairi; W. Peter Siebert; Hjalmar Hesselbom, On The Problem of Using Guard Traces for High Frequency Differential Lines Crosstalk Reduction, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 30, no. 1, pp. 67 74, Mar. 2007
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [10] 기준 ( 접지 ) 정확도 (Reference Accuracy) #1 슬롯이있는접지면에서귀환전류경로 3 mm A d B 슬롯이있는접지면에서귀환전류경로 Stitching 캐패시터실장시귀환전류경로 수 MHz 이상의신호를사용하는회로에서는완전한접지면을사용해야하지만부득이하게기준면이슬롯이있거나분할이된경우그림같이 A 지점에 B 사이의귀환전류의경로가슬롯주변으로형성 보통안정적인귀환전류경로를확보하기위해 1-10 nf 의 stitching 캐패시터가사용
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [11] 기준 ( 접지 ) 정확도 (Reference Accuracy) #2 연속적인접지면 슬롯이있는접지면 분할된접지면 커패시터실장시
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [12] 파워 / 그라운드노이즈 (SSN) 노이즈 #1 [6] Desmond Tan, The Basic Concept of Signal & Power Integrity, Signal Integrity Solutions, Ansoft Corporation (South Asia Operations)
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [13] 파워 / 그라운드노이즈 (SSN) 노이즈 #2 V cc Current I L + I d I d I L IN OUT Voltage t I d GND t 과도부하전류 I L 은논리게이트가 low 에서 high 로변하는경우부하커패시터스를충전하기위해형성 순간내부전류 I d 은두논리게이트가동시에 On 되거나외부부하와연결되지않는경우형성
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [14] TDR(Time Domain Reflectometry) 개념 #1 + 1 ρ Amplitude 0 ρ Reflected Open (Z = ) (Z = 50Ω) Incident - 1 ρ Short (Z = 0) t 0 t 1 Time TDR Waveforms - Open, Short and 50Ω terminations [7] TDS8000 and TDR Considerations to Help Solve Signal Integrity Issues, Tectronix
보드 SI (Signal Integrity) 설계 [15] TDR(Time Domain Reflectometry) 개념 #2 Capacitive Discontinuity Inductive Discontinuity Z 0 Z 0 Z 0 Z Z 1 Z 2 100 t 1 t 2 50 0 incident Z 1 Z 2 t 2Z 1 C eq 2 1 L eq Z 2 t 2 Time [7] TDS8000 and TDR Considerations to Help Solve Signal Integrity Issues, Tectronix
FFT (Fast Fourier Transform) 의이해 [1] The Time Domain
FFT (Fast Fourier Transform) 의이해 [2] The Frequency Domain
FFT (Fast Fourier Transform) 의이해 [3] 신호의이해 정보를신호로변환 Text, voice, picture, etc. Digital Text, voice, picture, etc. Analog Information Encoder Digital Analog Signal 아날로그신호는연속적인파형, 디지털신호는이산적인파형
Amplitude Amplitude A FFT (Fast Fourier Transform) 의이해 [4] 푸리에변환 푸리에변환 (Fourier transform) 은한함수를인자로받아다른함수로선형변환 일반적으로변환된함수는원해함수를주파수영역으로표현한것 j t X ( j ) x( t) e dt 여기서 t 는시간, ω 는주파수영역을표시 Time Domain Frequency Domain Period, T Frequency 고속푸리에변환 (Fast Fourier Transform, FFT) 은이산푸리에변환 ((Discrete Fourier transform, DFT) 과그역변환을빠르게수행하는효율적인알고리즘 이산푸리에변환공식에서반복되는계산의제거를통해빠르게변환함 F
FFT (Fast Fourier Transform) 의이해 [5] Frequency Components of Digital Signal 정현파 전압 주기 주파수 펄스 전압 주파수
FFT (Fast Fourier Transform) 의이해 [6] 복합신호의구성
FFT (Fast Fourier Transform) 의이해 [7] 디지털신호유형에따른스펙트럼 디지털신호에대한푸리에스펙트럼은파형의주기및 rising/falling time 과밀접한관계가있음 A T 구형파 (Square Wave) 의스펙트럼 F(t) f = 1/T 2f 3f Log F 사다리꼴파 (Trapezoidal Wave) 의스펙트럼 T A t r t F(t) f = 1/pt f =1/pt r Log F
S-parameter 의개념 [1] S-parameters a 1 Linear 2 port b 1 a 2 b 2 Output S ij Input S 11 = b 1 ቤ a 1 a2 =0 S 22 = b 2 ቤ a 2 a1 =0 S 21 = b 2 ቤ a 1 a2 =0 S 12 = ቤ b 1 a 2 a1 =0 S (scattering) 파라미터는 RF 에서가장널리사용되는회로결과값 S 파라미터는주파수분포상에서입력전압대출력전압의비를의미 S = S 11 S 12 S 21 S 22 Transmissions (S ij ) Reflections (S ii )
S-parameter 의개념 [2] Reflection Loss / Insertion Loss 반사계수 (Γ, gamma, Reflection Coefficient), 투과계수 (T, Transmission Coefficient) : 반사된전압 V- 입사된전압 V+ Z 0 Z L Γ = V V + = Z L Z 0 Z L + Z 0, T = 1 + Z L Z 0 Z L + Z 0 = 1 + Γ 반사손실 (Reflection loss) : 삽입손실 (Insertion loss) : RL = 20log Γ db IL = 20log T db 반사손실 (Reflection loss) 는부하가정합되어있지않은경우입력단으로들어간파워가모두부하로전달되지않는것을말함, 쉽게말해서 S11 혹은 S22 를지칭, 결론적으로 S11 을 db 스케일로나타낸것 삽입손실 (Insertion loss) 은입력단에들어간파워가출력단으로나오면서발생한소자 ( 또는회로 ) 내부의손실을말함, 쉽게말해서 S21 혹은 S12 를지칭, 결론적으로 S21 을 db 스케일로나타낸것 [8] David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc, 2005