듀얼 스트립라인 임피던스: 2개의 신호 레이어

듀얼 스트립라인이란 무엇이며 실제로 필요한 이유

대부분의 엔지니어는 스트립라인을 두 접지면 사이에 대칭적으로 끼어 있는 단일 신호 레이어로 생각합니다.이것이 교과서적인 정의이며 간단한 보드에는 잘 작동합니다.하지만 실생활은 더 복잡하죠.레이어 보드가 6개 (레이어 8개 정도) 인 경우 레이어 예산을 낭비하지 않고도 고속 신호를 효율적으로 라우팅해야 합니다.

듀얼 스트립라인은 동일한 그라운드 플레인 쌍 사이에 두의 신호 레이어가 있는 경우를 말합니다.레이어 1은 상단 접지면에 더 가깝고, 레이어 2는 하단 접지면에 더 가깝고, 일부 유전체 물질에 의해 분리되어 있습니다.이러한 구성은 좁은 공간에서 제어된 임피던스가 필요한 고속 메모리 버스, LVDS 쌍 또는 RF 트레이스 등 현대 디지털 설계에서 흔히 볼 수 있습니다.

문제는 무엇일까요?지오메트리는 더 복잡합니다.분리된 스트립라인처럼 각 레이어를 독립적으로 계산할 수는 없습니다.두 번째 신호 계층의 존재는 첫 번째 계층의 임피던스에 영향을 미칩니다.또한 트레이스가 겹칠 경우 걱정할 필요가 있는 브로드사이드 커플링도 있습니다.그리고 두 레이어의 전파 지연을 알아야 합니다. 두 레이어가 서로 다를 수 있기 때문입니다.

이것이 바로 듀얼 스트립라인 임피던스 계산기 열기 가 필요한 이유입니다.

지오메트리: 실제로 설명하는 내용

스택업에 대해 구체적으로 설명해 보겠습니다.6겹의 보드를 상상해 보세요.

• 레이어 1: 그라운드 플레인 (상단 레퍼런스)
• 레이어 2: 신호 레이어 1 (레이어 1이라고 함)
• 레이어 3: 유전체 (두 신호 레이어 사이)
• 레이어 4: 신호 레이어 2 (레이어 2라고 함)
• 레이어 5: 그라운드 플레인 (하위 레퍼런스)
• 레이어 6: 전원 또는 접지

계산기를 사용할 때 다음을 지정합니다.

• 트레이스 너비: 신호 트레이스의 너비입니다.일반적인 값의 범위는 임피던스 목표와 전류 요구 사항에 따라 2mil에서 20mil까지입니다.
• 평면 간 간격: 상단 접지면에서 하단 접지면까지의 총 거리.이것은 유전체 샌드위치의 전체 높이입니다.
• 레이어 1에서 상단 평면까지: 레이어 1이 상단 지면으로부터 얼마나 떨어져 있는지.유전체의 합계가 10마일이고 이 값이 3마일이면 레이어 2는 하단 평면에서 7마일 떨어진 것입니다.
• 신호 레이어 간 분리: 두 신호 레이어 사이의 유전체 물질 두께.
• 구리 두께: ½ 온스 (17.5 μm) ) 또는 1온스 (35 μm) 구리) 를 사용하는지 여부.이는 생각보다 중요합니다. 구리가 두꺼울수록 임피던스가 약간 줄어듭니다.
• 유전 상수: FR4 = 4.2, 메그트론 6 = 3.4, 로저스 RO4350B = 3.48제작자가 사용하고 있는 실제 재료를 선택하세요.

그러면 계산기가 각 레이어의 임피던스, 커플링 특성 및 전파 지연을 개별적으로 제공합니다.두 레이어의 임피던스가 서로 다른 경우 마지막 비트가 매우 중요합니다. 신호 무결성 분석에는 두 숫자가 모두 필요합니다.

실제 예: 컨슈머 보드의 메모리 버스

실제 설계 시나리오를 살펴보겠습니다.6계층 보드에 DDR5 메모리 인터페이스를 배치하고 있습니다.현재 제조 공장에서는 총 두께 1.6mm의 FR4를 다음과 같이 나누어 사용하고 있습니다.

• 상단 구리면에서 상부 접지면까지 0.3mm
• 그라운드 플레인 사이 0.8mm (스트립라인 샌드위치)
• 하단 접지면에서 레이어 4 (파워 플레인) 까지 0.5mm

데이터 라인에 90 Ω 차동 임피던스가 필요합니다.전체적으로 1온스 구리를 사용하고 있습니다.

먼저 두 신호 레이어 사이에서 이 0.8mm를 분할하는 방법을 알아내야 합니다.일반적인 접근 방식은 민감한 신호를 더 잘 차폐하기 위해 상위 레이어를 상단 접지면에 더 가깝게 배치하고 하위 레이어를 하단 접지면에 더 가깝게 배치하는 것입니다.레이어 1에서 상단 평면까지 0.2mm를 사용해 보겠습니다. 즉, 레이어 2에서 하단 평면까지 0.6mm이고 그 사이에 0.2mm의 유전체가 있는 것을 의미합니다.

계산기를 실행해 보세요:

• 트레이스 너비: 4밀 (반복하겠습니다)
• 평면-평면 간격: 31.5마일 (0.8mm)
• 레이어 1에서 상단 평면까지: 7.9밀 (0.2mm)
• 신호 레이어 간 간격: 7.9밀 (0.2mm)
• 구리 두께: 1온스 (35 μm))
• 유전 상수: FR4 (4.2)

계산기는 대략 다음과 같은 결과를 반환합니다.

• 레이어 1 임피던스: 58 Ω
• 레이어 2 임피던스: 62 Ω
• 브로드사이드 커플링: ~0.15 (트레이스가 겹치는 경우)
• 전파 지연: 레이어 1의 경우 최대 175ps/인치, 레이어 2의 경우 최대 170ps/인치

90 Ω. 가 아닙니다. 더 넓은 트레이스가 필요합니다.6밀로 올려보세요:

• 레이어 1 임피던스: 48 Ω
• 레이어 2 임피던스: 52 Ω

여전히 너무 낮습니다.3.5밀을 사용해 보세요:

• 레이어 1 임피던스: 72 Ω
• 레이어 2 임피던스: 77 Ω

점점 가까워지고 있습니다.3마일이면 레이어 1의 경우 90—95 Ω 정도에 착륙할 수 있을 것입니다.하지만 이제 확인해야 할 사항이 있습니다. 팹이 트레이스와 트레이스 간 간격을 사용하여 실제로 3mil 트레이스를 라우팅할 수 있을까요?대부분의 최신 팹은 가능하지만 라우팅 복잡성이 크게 증가하고 있습니다.그리고 전파 지연은 이제 약 180ps/inch로, 타이밍 분석에 중요합니다.

이것이 실제 워크플로우입니다.숫자를 한 번만 입력하면 되는 것이 아닙니다.모든 것이 제대로 작동할 때까지 임피던스, 트레이스 폭, 라우팅 가능성 사이를 반복해야 합니다.

수학: 레이어 1과 레이어 2가 다른 이유

스트립라인 트레이스의 임피던스는 다음에 의해 결정됩니다.

여기서 $h$ 은 기준 평면까지의 거리, $w$ 는 트레이스 폭, $\varepsilon_r$ 은 유효 유전 상수입니다.

이중 스트립라인에서는 각 레이어의 $h$ 값이 다릅니다.레이어 1은 상단 평면에 더 가깝기 때문에 $h$ 크기가 더 작습니다. 즉, 임피던스가 더 낮습니다 (다른 모든 레이어는 동일).레이어 2는 상단 평면에서 더 멀리 떨어져 있지만 하단 평면에 더 가깝기 때문에 유효 $h$ 이 다릅니다.

하지만 한 가지 복잡한 점이 있습니다. 두 번째 신호 계층이 있으면 필드 분포가 교란된다는 것입니다.각 계층이 고립되어 있는 것처럼 보이지는 않습니다.계산기는 일반적으로 등각 매핑 또는 수치 방법을 기반으로 하는 보다 정교한 필드 풀이 접근법을 통해 이러한 결합 효과를 설명합니다.그렇기 때문에 두 임피던스를 독립적으로 계산해서 완료라고 할 수는 없습니다.

브로드사이드 커플링 파라미터는 레이어 1과 레이어 2의 트레이스가 병렬로 실행되고 중첩될 경우 발생할 수 있는 크로스토크의 양을 알려줍니다.커플링 값이 0.15라는 것은 한 레이어에서 인접 레이어로 연결되는 신호의 약 15% 를 의미합니다.이 정도면 터미네이션 시 주의하지 않으면 링잉과 오버슈트가 발생할 수 있습니다.

흔히 저지르는 실수 (그리고 이를 방지하는 방법)

레이어 사이의 유전체를 잊어버리기

대부분의 엔지니어는 레이어 1과 레이어 2 사이의 유전체가 일부 레진의 핵심 재료일 뿐이라고 가정합니다.사실이지만 코어의 두께는 매우 중요합니다.팹에서 “0.2mm 코어”를 지정하면 계산기에는 “신호 레이어 간 분리”로 표시됩니다.실수로 0.4mm를 입력하면 계산된 임피던스가 몇 옴 차이가 납니다.시작하기 전에 적층 도면을 다시 확인하십시오.

비대칭 실명

레이어 1과 레이어 2가 각각의 지면 평면에서 서로 다른 거리에 있는 경우 이중 스트립라인은 본질적으로 비대칭입니다.일부 엔지니어는 이를 버그로 취급하지만 의도적으로 사용하면 기능일 수 있습니다.접지면에 가까운 레이어일수록 임피던스와 전파 지연이 낮아집니다.느린 신호와 빠른 신호를 믹싱하는 경우 이를 악용할 수 있습니다.하지만 의도한 비대칭이 아니라면 레이아웃 중에 임피던스가 일치하지 않아 놀라실 수도 있습니다.

브로드사이드 커플링 무시

레이어 1과 레이어 2 트레이스가 평행하게 실행되고 상당한 거리까지 겹치는 경우 브로드사이드 커플링이 현실입니다.계산기는 결합 계수를 알려주지만 많은 엔지니어는 이를 무시하고 스코프에서 미분 신호가 왜 이상하게 보이는지 궁금해합니다.커플링이 중요한 경우 (>0.1), 트레이스에 스태거를 걸거나 짧게 유지하거나 길이를 신중하게 매칭하는 차동 라우팅을 사용해야 합니다.

구리 두께 실수

구리 두께는 사람들이 예상하는 것보다 임피던스에 더 많은 영향을 미칩니다.구리를 ½oz에서 1oz로 낮추면 지오메트리에 따라 임피던스가 2—4 Ω 만큼 이동할 수 있습니다.생산 도중에 알리지 않고 팹의 구리 중량을 변경하면 임피던스가 바뀝니다.항상 팹 도면과 계산기에서 구리 두께를 확인하십시오.

잘못된 유전상수

FR4는 명목상 4.2이지만 주파수, 온도 및 습도에 따라 달라집니다.메가트론 6은 3.4에서 더 안정적입니다.로저스 RO4350B 모델은 3.48로 더 타이트하지만 가격은 더 비쌉니다.고주파 신호 (>1GHz) 용으로 설계하는 경우 선택이 중요합니다.2.4GHz에서 DDR5를 사용하는 경우 공칭 값이 아니라 팹의 재료 데이터 시트에서 실제로 측정된 $\varepsilon_r$ 값을 사용하십시오.5-10% 정도 차이가 날 수 있습니다.

전파 지연 및 타이밍 분석

계산기는 전파 지연을 ps/inch 단위로 출력합니다.이는 디지털 설계에 매우 중요합니다.레이어 1이 175ps/인치이고 레이어 2가 170ps/인치이고 2인치 트레이스를 라우팅하는 경우 레이어 1은 레이어 2보다 10ps 늦게 도착합니다.이는 대부분의 디지털 신호에서 잡음 수준이지만 LVDS나 CML과 같은 고속 인터페이스에서는 중요합니다.

더 중요한 것은 동일한 버스에서 레이어 1과 레이어 2의 신호를 믹싱하는 경우 (밀도가 높은 레이아웃에서 발생) 레이어 간의 스큐가 설정/유지 시간을 위반할 수 있다는 것입니다.대부분의 도구를 사용하면 타이밍 분석 시 레이어별 전파 지연을 지정할 수 있습니다.계산기의 출력을 직접 사용하세요. 반올림하지 마세요.

듀얼 스트립라인 사용 시기와 다른 접근법

듀얼 스트립라인은 임피던스가 제어된 다중 신호 레이어가 필요한 고밀도 보드에 적합합니다.일반적으로 다음과 같은 경우에 사용됩니다.

• 고속 메모리 인터페이스 (DDR4, DDR5, GDDR6)
• LVDS 및 CML 시그널링
• 차폐가 필요한 RF 및 마이크로파 보드
• 아날로그 및 디지털 절연이 필요한 혼합 신호 설계

저속 로직 ( (I²C, SPI, GPIO) 치고는 과하다.또한 전용 스트립라인 레이어를 선호하는 단일 고속 트레이스에는 적합하지 않습니다. 이중 스트립라인의 비대칭성은 라우팅 복잡성을 감수할 가치가 없습니다.

그라운드 간에 신호 레이어가 하나뿐인 경우 싱글 스트립라인 계산기를 사용하세요.신호 레이어가 두 개 있는데 두 개의 신호 레이어가 같은 접지면 사이에 있지 않은 경우 (예: 하나는 접지와 전력 사이에 있는 경우) 지오메트리가 완전히 다릅니다.

사용해 보세요

최신 PCB 적층 도면을 확인해 보세요.동일한 접지면 사이의 서로 다른 두 레이어로 라우팅하는 고속 신호를 찾아보세요.트레이스 폭, 평면 간격, 구리 두께 및 유전 상수와 같은 실제 치수를 듀얼 스트립라인 임피던스 계산기 에 연결하십시오.계산된 임피던스를 목표값과 비교하십시오.일치하지 않으면 트레이스 너비를 조정하고 다시 실행하세요.볼파크 임피던스가 측정되면 전파 지연과 브로드사이드 커플링을 확인하십시오.커플링이 높고 크로스토크가 걱정된다면 트레이스에 스태거를 걸거나 레이어 분리를 늘리십시오.

이것이 실제 설계 워크플로우입니다.계산기는 도구입니다. 계산기를 언제, 어떻게 사용하는지 이해하는 것이 기술입니다.