크리스탈 및 진동자 인쇄 회로 보드 설계 고려 사항

인쇄 회로 기판을 배치하여 컴포넌트를 수용하고 최상의 성능을 발휘할 수 있도록 하는 것은 클럭 신호 및 라우팅과 같은 복잡한 작업입니다. 일부 산업 표준 규칙을 따르면 복잡한 공식과 값비싼 시뮬레이션 도구 없이도 전자기 간섭 문제를 최소화할 수 있습니다.

PCB 레이아웃이 점점 더 중요해지는 이유는 보드 크기를 줄이고 통합을 늘리는 추세 때문입니다. 소형 형상 계수와 저전력 전자 장치 모두 추가 고려 사항으로 이어집니다. 전환 주파수가 높을수록 더 많은 방사선이 생성됩니다. 레이아웃이 좋으면 많은 EMI 문제를 최소화하여 필요한 사양을 충족할 수 있습니다. 아래에 ECS Inc. International이 엔지니어링 모범 실무로서 따르도록 제안하는 몇 가지 권장 사항이 나열되어 있습니다.

•  크리스탈 인쇄 회로 보드(PCB) 설계 가이드라인
• •  PCB의 크리스탈 및 외부 부하 커패시터를 칩의 진동자 입력 및 출력 핀에 최대한 가깝게 연결합니다.
• •  진동 회로의 트레이스 길이는 가능한 짧아야 하며 다른 신호 라인과 교차하지 않아야 합니다.
• •  트레이스에서 직각으로 구부러지지 않도록 하십시오.
• •  세 번째 오버톤 크리스탈을 사용하는 경우 부하 커패시터 CX1, CX2 및 CX3이 공통 접지면을 가지도록 합니다.
• •  루프는 PCB를 통해 결합되는 소음을 최소화하고 기생충을 최대한 줄이기 위해 가능한 한 작게 만들어야 합니다.
• •  크리스탈 유닛 아래에 접지(GND) 패턴을 배치하지 마십시오.
• •  멀티 레이어 PCB의 경우 디지털/RF 신호 라인이나 크리스탈 유닛에서 전원을 공급하지 마십시오.

•  진동자 인쇄 회로 보드(PCB) 설계 가이드라인
• •  PCB 상의 진동자 공간을 적재물 또는 칩의 입력 핀에 최대한 가깝게 배치하십시오.
• •  트레이스 길이는 가능한 짧아야 하며 다른 신호 라인과 교차하지 않아야 합니다.
• • 트레이스에서 직각으로 구부러지지 않도록 하십시오. 45° 코너 영역에서 접전용량이 증가하여 트레이스의 특성 임피던스가 변화하여 반사로 이어집니다. 이는 직각을 반올림함으로써 완화될 수 있습니다.
• • 여러 차례의 단말처리를 통해 소스와 단말처리 사이의 정재파를 줄입니다. 이는 가능한 한 진동자의 출력 핀에 근접하게 직렬로 저항기를 삽입하여 구성됩니다. 클럭 드라이버 및 직렬 종단 저항기의 출력 임피던스와 일치하는 적절한 임피던스를 얻으려면 트레이스 임피던스와 같아야 합니다.
• • 차동 출력 트레이스를 동일한 길이에 최대한 가깝게 유지합니다. 이렇게 하면 트레이스 간의 결합 계수가 증가하여 노이즈가 공통 모드로 전환되므로 차동 입력 단계에서 문제가 덜 발생합니다.
• •  진동자를 공통 접지면에 연결하는 것이 좋습니다.
• •  크리스탈 유닛 아래에 접지(GND) 패턴을 배치하지 마십시오. 이렇게 하면 기생 접전용량이 부가됩니다.
• •  소음이 발생할 것이므로 멀티 레이어 PCB의 경우 디지털/RF 신호 라인이나 진동자에서 전원을 공급하지 마십시오.

피어스 진동자 레이아웃
위의 사항은 마이크로프로세서에서 사용하는 피어스 진동자의 적용에 중요합니다. 4-패드 크리스탈을 사용하는 피어스 진동자의 일반적인 레이아웃과 회로는 아래를 참조하십시오.

일반 크리스탈/공명기 피어스 진동자

일반 PCB 크리스탈 피어스 진동자

크리스탈 진동자 루프는 진동자 주파수에서 입력 임피던스는 낮지만 공진 주파수 범위 밖에서는 입력 임피던스 특성이 높습니다. 이 높은 임피던스 특성은 전기장이 근처에 적용될 때 EMI에 취약합니다. 새로운 기술로 인해 진동자 신호 레벨이 1V 미만으로 제한되어 더욱 민감해집니다.

스트레이 PCB 접전용량을 낮게 유지하는 것의 중요성을 강조하기 위해 강조 표시된 것이 계산식의 C입니다. 크리스탈의 CL이 낮을수록, 빗나간 PCB 접전용량이 설계에 더 많은 영향을 미칩니다.

부하 커패시터 C1/C2에 대한 접지 연결은 다른 회로와의 접지 전류를 방지하기 위해 가능한 한 짧게 유지해야 합니다. XTAL IN 및 XTAL OUT 핀이 프로세서에 인접해 있는 경우가 매우 많습니다. 기생 접전용량이 문제가 될 수 있으므로 트레이스는 가능한 한 멀리 떨어진 곳에 배치하고 짧은 거리를 유지해야 합니다.

• •  관찰된 전형적 접전용량은 다음일 수 있습니다.
• •  XTAL IN 대 접지: 1pF
• •  XTAL OUT 대 접지: 2pF
• •  XTAL IN 대 XTAL OUT: 0.5pF

대부분의 일반적인 크리스탈 유형에는 심 씰링된 케이스가 있으며, 케이스 리드는 접지 핀과 전기적으로 연결됩니다. 이러한 유형의 패키지에서는 리드에서 EMI의 가능성을 줄이기 위해 핀을 접지하는 것이 좋습니다. 심 씰링된 패키지는 더 나은 성능을 제공한다는 점에 주목해야 합니다. 다른 씰링 방법은 유리 씰링 크리스탈이며, 이 공정으로 인해 리드가 접지 핀에서 분리됩니다. 이런 유형의 패키지에서는 크리스탈에 접지 핀을 접지하는 것을 권장하지 않습니다.

전자기 호환성(EMC)
전자기 호환성(Electromagnetic Compatibility)은 전기 컴포넌트, 장비 및 시스템이 해당 환경에서 설계된 대로 작동하는 기능입니다. 이는 전자기 에너지의 의도하지 않은 생성, 전파 및 수신을 제한함으로써 수행됩니다. 이러한 원치 않는 소음원을 전자파 간섭(EMI)이라고 합니다. EMC의 목표는 공통 전자기 환경에서 다양한 장비를 올바르게 작동하는 것입니다.

접지면
접지면은 아날로그 또는 디지털 회로 및 구성 요소의 혼합과 함께 사용할 때 효과적입니다. 레이아웃 전체에 걸쳐 균일하게 접지 연결이 이루어지는 것이 아니라 필요에 따라 접지 연결이 이루어집니다.

지상면은 단순히 모든 빈 공간을 구리로 채우고 접지에 연결한다고 해서 만들어지는 것이 아닙니다. 그 기능은 리턴 전류의 흐름을 허용하는 것이고, 이상적인 레이아웃은 그것에 대한 최소한의 중단이 있어야 합니다. 따라서 멀티레이어 보드가 사용됩니다. 전체 균일한 레이어는 접지, 하나는 전원, 다른 하나는 신호 전달에 할애할 수 있습니다. 이렇게 하면 계층 간 접전용량의 분포가 향상됩니다. 또한 고주파에서 전원과 접지 사이의 임피던스가 낮다는 추가적인 이점도 있습니다.

개별 구멍은 접지면에 영향을 미치지 않지만 큰 슬롯은 영향을 미칩니다. 접지면이 다른 트랙이나 구멍에 의해 중단될 때 일반적인 저유도 전류 흐름이 장애물 주위로 우회되고 인덕턴스가 효과적으로 증가합니다.

중단은 높은 di/dt 흐름의 라인을 가로질러 절단하지 않는 경우에만 허용되어야 합니다. 높은 스위칭 전류 또는 고속 로직 에지를 전달하는 구성 요소 아래의 트랙은 유도 정전 용량을 유발합니다. 두 개의 접지면을 연결하는 매우 좁은 선로도 없는 것보다는 낫습니다. 고주파수에서는 디지털 로직 에지 전환을 포함하여 전류가 가장 적은 마그네틱 플럭스를 둘러싸는 경로를 따르는 경향이 있습니다. 즉, 접지면 리턴 전류가 해당 신호 트랙 아래에 집중되는 것을 선호합니다.

일부 보드 제조업체는 보드가 뒤틀리거나 납땜 레지스트가 손상될 수 있으므로 구리의 넓은 면적을 그대로 두는 것을 권장하지 않습니다. 이것이 문제가 될 가능성이 높은 경우, 효과를 저하시키지 않고 교차 해칭 패턴으로 솔리드 접지면을 교체할 수 있습니다. 접지면 또는 보드 표면의 다른 넓은 면적의 구리에 납땜을 연결하려면 접지 영역에서 납땜 패드를 "분리"하고 짧은 길이의 트랙을 사용하여 연결해야 합니다. 따라서 접지면이 신뢰할 수 있는 조인트를 위해 납땜하는 동안 열 흡수원 역할을 하는 것을 방지할 수 있습니다.

전자기 간섭

(EMI) 방사 - EMI
방사선 방출(또는 EMI) 테스트란 무엇입니까? 방사 방출 테스트에는 제품에서 의도하지 않게 발생하는 방출의 전자기장 강도를 측정하는 작업이 포함됩니다. 방출은 모든 디지털 회로 내의 전환 전압 및 전류에 고유합니다. 이렇게 하면 배기 가스 배출 수준이 어느 정도인지 알 수 있으며, 배출량이 시스템 또는 주변 시스템의 성능에 영향을 미칠지 여부를 확인할 수 있습니다.

일반적인 방사 고장 모드
복사 방출을 유발할 수 있는 설계 또는 전기기계식 방법은 사실상 무제한입니다. 다음은 일반적인 EMI 설계 문제의 간단한 목록입니다.

전도 - EMI
모든 전자 장치는 전자기 에너지를 생성하며, 전자기 에너지의 특정 부분은 전원 공급 장치에 전도되어 외부 전원 공급 장치에 잠재적으로 결합됩니다.

전원 공급 장치에 다시 연결될 수 있는 간섭의 양을 제한하기 위해, 테스트 연구소에서 이러한 방출량을 측정합니다. 일반적으로 150kHz ~ 30MHz 대역폭의 방출에 관심이 있습니다. 방사선을 검사하고 지정된 한계를 준수하는지 확인합니다.

EMI 시험 절차 및 수준은 CISPR: 국제무선간섭특별위원회(International Special Committee on Radio Interference)의 관할입니다. 자세한 내용은 국제전기표준회의(International Electrotechnical Commission) 웹 사이트를 참조하십시오.

방출 검사
ANSI C63.4에 따라 LISN(또는 LISN)은 바닥에 놓고 제품은 테이블에 둡니다(또는 장비가 큰 경우 바닥에 세워둠). LISN의 RF 포트는 스펙트럼 분석기에 직접 연결됩니다(또는 전압 스파이크로 인한 손상을 방지하기 위해 과도 제한기를 통해).

전도 방출 적용 가능성
수행된 방출 검사는 일반적으로 AC 전원 공급 장치에 연결하는 장치에서 수행됩니다. 이는 사전 인증된 AC-DC 전원 공급 어댑터를 사용하는지 여부에 관계없이 적용됩니다. 일부 표준의 경우 DC 전원 공급 장치에서 작동하는 장치에도 제한이 있습니다.

전도 방출 권장사항
실시되는 방출 규정 준수를 위한 회로 설계에 대해 자세히 설명하지 않고도 전도 방출 검사 실패의 위험을 최소화할 수 있는 몇 가지 간단한 방법이 있습니다.

• •  통과해야 하는 제한에 대해 정격인 전원 공급 장치에 항상 전원을 공급하십시오.
• • 장치가 'B등급' 장치인 경우 B등급 어댑터를 공급해야 합니다. A등급 한계만 통과한 어댑터는 시스템 합격이 되지 않습니다. B등급 어댑터는 B등급 전도 방출 합격을 보장하지 않지만, 확실히 도움이 될 것입니다.
• •  마찬가지로, 보다 엄격한 국방, 의료, 자동차 또는 항공 우주 분야 제한의 경우, 항상 해당 제한을 준수한다고 하는 공급원을 확보하십시오.
• •  최소 3개의 서로 다른 전원 공급 장치를 테스트 랩에 가져오십시오.
• • 장치가 외부 AC-DC 전원 어댑터를 사용하는 경우, 만약을 위해 다른 제조업체의 동격 어댑터를 가져오십시오. 실패하면 교환해서 다른 공급품의 결과가 합격인지 확인할 수 있습니다.
• •  전원 공급 레일의 리플을 확인합니다.
• •  깔끔한 전원 공급 장치가 있는 경우 PDN 및 디커플링 상태가 양호할 수 있습니다. 전원 공급 장치 전환으로 인해 과도한 리플 또는 스파이크가 발생하는 경우, 이 소음이 전원 공급 장치의 AC 쪽에 있을 수 있습니다.
• • 노이즈 커플링을 방지하기 위해 아날로그와 디지털 접지를 분리하는 등 접지면을 분할해야 하는 본질적인 이유가 있는 경우 분할된 접지면이 슬롯 안테나 및 방사선으로 작용할 수 있으므로 주의하십시오. 이러한 경우 분할된 접지면만 한 지점에 연결하십시오. 일반적인 접지 연결부가 많을수록 더 많은 루프가 생성되고 설계가 더 많은 EMI를 방출합니다.
• •  많은 설계에는 우회 및 디커플링 커패시터가 있습니다. 이 커패시터를 접지에 연결하면 리턴 전류 경로를 줄일 수 있습니다. 이렇게 하면 접지 루프의 크기가 줄어들기 때문에 방사선이 줄어듭니다. 전원면과 무관한 접지면 사이에 우회 커패시터를 연결하지 마십시오. 용량성 커플링이 발생할 수 있습니다.

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