에지 커플드 디퍼런셜 페어: 간격이 중요합니다

그나저나 에지 커플드 임베디드 마이크로스트립이란 무엇일까요?

에지 결합 임베디드 마이크로스트립은 유전체 기판과 일종의 커버 재료 (솔더마스크, 컨포멀 코팅, 프리프레그 또는 그냥 공기) 사이에 트레이스가 위치하는 PCB 상의 차동 쌍을 라우팅하는 방법입니다.“에지 커플드” 부품이란 트레이스가 나란히 이어져 외부 모서리가 특정 간격으로 분리되는 것을 의미합니다.이는 개방형 접지면 위로 라우팅되는 브로드사이드 커플드 (한 트레이스가 다른 트레이스 위에 있는 트레이스) 또는 마이크로스트립과는 다릅니다.

이것이 왜 중요할까요?흔적 위에 있는 표지 자료가 모든 것을 바꾸기 때문이죠.커버의 유전율이 아래 기판과 결합되어 FR4의 간단한 마이크로스트립으로 얻을 수 있는 것과는 다른 효과적인 유전체 환경을 만들 수 있습니다.잘못 이해하면 임피던스 계산이 엉망이고 신호 무결성이 떨어지고 결국 반사로 인해 고속 링크가 끊깁니다.

대부분의 엔지니어는 커버 내용을 완전히 무시하거나 나중에 생각하는 것으로 취급합니다.그건 실수입니다.커버의 종류와 두께에 따라 임피던스가 5-15% 정도 달라질 수 있습니다.

지오메트리 이해하기

멘탈 모델을 설정해 봅시다.기판이 있는데, 일반적으로 유전상수가 약 4.2인 FR4이지만 RF 작업에서는 로저스 RO4350B (3.48) 이 일반적입니다.디퍼런셜 트레이스는 이 기판 상단으로부터 특정 깊이에 위치합니다.그 위에는 커버 레이어가 있습니다. 솔더 마스크의 25 μm , 컨포멀 코팅의 75 μm , 프리프레그 100 μm 일 수도 있고, 아무것도 없을 수도 있습니다 (공기만 해당).

트레이스 폭, 트레이스 간격 (중심과 중심이 아닌 모서리에서 모서리까지 측정), 기판 높이 및 커버 두께는 모두 임피던스 계산에 반영됩니다.커버의 유전율도 중요합니다. 솔더마스크는 일반적으로 3.5, 컨포멀 코팅은 3.0, 프리프레그 FR4는 약 4.2, 공기는 1.0입니다.

핵심 인사이트는 다음과 같습니다. 트레이스 주변의 필드 분포가 균일하지 않다는 것입니다.전기장의 일부는 아래에 있는 기판을 관통하고, 일부는 위 덮개 안으로 들어가고, 일부는 덮개가 없는 경우 공기 중으로 방출됩니다.계산기는 홀수 모드 유효 유전 상수와 짝수 모드 유효 유전 상수를 각각 계산한 다음 차동 임피던스 (SerDes 링크에서 중요하게 생각하는 것) 와 공통 모드 임피던스 (EMI에 중요함) 를 구하여 이 문제를 해결합니다.

그 뒤에 숨겨진 수학

계산기는 닫힌 형식 방정식 (Wadell의 공식 및 변형) 을 사용하여 전송선 매개변수를 계산합니다.에지 결합 마이크로스트립의 경우 홀수와 짝수라는 두 가지 전파 모드를 사용할 수 있습니다.

홀수 모드에서는 두 트레이스가 동일한 전류와 반대 전류를 전달합니다.둘 사이의 전기장이 강해서 더 밀접하게 연결된 것처럼 보입니다. 짝수 모드에서는 트레이스가 동일한 위상 전류를 전달합니다.둘 사이의 자기장이 약하고 커플링이 느슨합니다.

차동 임피던스는 홀수 모드에서 파생됩니다.

공통 모드 임피던스는 짝수 모드에서 나옵니다.

각 임피던스는 해당 모드에서 볼 수 있는 유효 유전 상수에 따라 달라집니다. 이는 기판 및 커버 유전체의 가중 평균이며 각 영역에 있는 필드 에너지의 양에 따라 가중치가 부여됩니다.

계산기는 단일 트레이스 임피던스도 계산하는데, 이는 파트너가 없는 트레이스의 모습입니다.이는 온전성 검사에 유용합니다. 단일 트레이스 임피던스가 독립형 마이크로스트립에서 기대하는 것과 크게 다르다면 지오메트리에 문제가 있는 것입니다.

실제 사례: 100 Ω 디퍼런셜 USB 3.0 페어

USB 3.0 고속 신호를 위한 디퍼런셜 페어를 설계해 보겠습니다.사양에는 100 Ω 차동 임피던스 (± 10%) 가 필요합니다.표준 4-레이어 보드를 기반으로 라우팅하고 있습니다. 총 두께는 1.6mm이고 신호 레이어 아래에는 0.2mm의 서브스트레이트 (FR4 (εr = 4.2), 상단에는 25 μm 솔더 마스크가 있습니다.

우리의 구리는 1oz (35 μm). ) 라는 추측부터 시작하겠습니다. 트레이스 너비는 5mil, 가장자리간 간격은 8mil입니다.

에지 결합 임베디드 마이크로스트립 계산기 를 열고 다음을 꽂습니다.

• 트레이스 너비: 5 밀리미터 (0.127mm)
• 트레이스 간격: 8밀 (0.203밀리미터)
• 기판 높이: 0.2 밀리미터 (200 μm)
• 커버 두께: 25 μm
• 커버 유형: 솔더 마스크 (3.5)
• 구리 두께: 1온스 (35 μm)
• 기판 유전체: FR4 (4.2)

계산기는 다음과 같은 결과를 반환합니다.

• 디퍼런셜 임피던스: 104.2 Ω
• 홀수 모드 임피던스: 52.1 Ω
• 짝수 모드 임피던스: 198.5 Ω
• 파트너가 없는 싱글 트레이스: 95.3 Ω
• 홀수 모드 유효 εr: 3.18
• 짝수 모드 유효 εr: 3.95
• 전파 지연 (홀수) : 161.8ps/인치
• 전파 지연 (짝수) : 165.2 피스/인치

지금은 104 Ω, 에 도달했는데, 이는 90—110 Ω 의 범위를 겨우 벗어난 수준입니다.간격을 7mil로 좁혀 보겠습니다.

• 트레이스 간격: 7밀 (0.178mm)

이제 대략 102 Ω. 이 더 좋아졌습니다.6.5mil 간격을 시도해보면 약 100 Ω. 가 완벽합니다.

홀수 유효 유전 상수와 짝수 유효 유전 상수는 3.18과 3.95로 서로 다릅니다.홀수 모드에서는 기판 (솔더 마스크) 이 덜 보이고 커버 (솔더 마스크) 가 더 많이 보이므로 효율 εr 이 더 낮습니다.짝수 모드에서는 피사체가 더 많이 보이므로 더 높습니다.이것이 바로 우리가 기대하는 바입니다.

전파 지연도 참고하세요. 전파 지연은 거의 동일하며 (161.8 대 165.2 ps/인치) 신호 무결성에 좋습니다.간격이 크게 엇갈리면 차동 신호 간에 왜곡이 발생할 수 있습니다.

흔히 저지르는 실수와 문제점

커버 재료가 존재한다는 사실을 잊어버렸습니다. 엔지니어는 마이크로스트립이 무한 접지면에 있다고 가정하고 솔더 마스크의 25 μm 가 맨 위에 있는 것을 무시하고 임피던스를 계산하는 경우가 많습니다.이 솔더 마스크에는 εr = 3.5가 있는데, 이는 FR4에 가깝지만 여전히 중요합니다.컨포멀 코팅 (εr = 3.0) 은 덜 중요하지만 프리프레그 (εr = 4.2) 도 피착재만큼이나 중요합니다. 모서리 간 간격과 중앙 간 간격을 혼동합니다. 계산기는 모서리 간 간격을 사용합니다.모서리 간 간격이 8mm인 트레이스가 5mil인 경우 중심과 중심 사이의 거리는 5 + 8 + 5 = 18mil입니다.실수로 18mil을 간격에 꽂지 마세요. 그러면 완전히 틀린 답이 나옵니다. 싱글 트레이스 임피던스가 차동 임피던스와 일치해야 한다고 가정합니다. 그렇지 않습니다.파트너가 없는 단일 트레이스는 다른 짐승입니다.USB 예제의 경우 단일 트레이스가 100 Ω. 가 아니라 95.3 Ω, 로 돌아왔는데 이는 정상입니다.커플링된 트레이스의 존재는 임피던스를 변화시킵니다. 사용자가 검증된 범위 내에 있는지는 확인하지 않습니다. 계산기는 지오메트리가 폐형 방정식의 정확한 범위 내에 있는지 여부를 표시합니다.간격을 20mil로 올리거나 기판 높이를 5mm로 밀면 공식이 무너지기 시작합니다.“검증 범위 내” 플래그가 거짓으로 나오더라도 숫자를 믿지 마세요. HFSS 또는 CST와 같은 필드 솔버가 필요합니다. 전파 지연 편향 무시 홀수 모드와 짝수 모드 지연이 몇 퍼센트 이상 차이가 나면 차동 신호 간에 편차가 발생할 수 있습니다.이것이 항상 치명적이지는 않지만, 알아둘 만한 가치가 있습니다.고속 직렬 링크 (PCIe, USB 3.1 등) 의 경우 가능하면 5% 미만으로 유지하세요. '커버 없음'을 진짜 공기 중으로 취급합니다. '커버 없음'으로 지정하면 계산기는 트레이스보다 εr = 1.0 을 높게 간주합니다.현실에는 항상 무언가가 있습니다. 솔더 마스크가 아니더라도 PCB 솔더 레지스트 프로세스, 먼지 또는 습기가 있습니다.대략적인 추정치로는 “커버 없음”도 괜찮지만 설계에 베팅하지 마세요.솔더마스크는 제조 과정에서 항상 성능이 저하됩니다.

이 계산기와 다른 계산기를 사용하는 시기 비교

차동 쌍이 PCB 표면 위에 아무것도 없는 상태로 배선되는 경우, 마이크로스트립 임피던스 계산기를 대신 사용하십시오. 더 간단하고 커버 재료와 혼동하지 않아도 됩니다.

트레이스가 두 접지면 (스트립라인 또는 이중 스트립라인) 사이에 있는 경우, 스트립라인 계산기를 사용하세요. 필드 분포가 완전히 다릅니다.

트레이스가 광측 결합 (다른 트레이스 위에 있는 경우) 브로드사이드 커플링 페어 계산기를 사용하십시오.

트레이스가 에지 커플링되어 있고 트레이스 위에 유전체 커버가 분명히 있을 때 이 방법을 사용하세요.이는 표준 PCB 제조의 일반적인 사례입니다. 신호가 내부 레이어 또는 표면 레이어에 있고 솔더마스크 또는 프리프레그로 덮여 있습니다.

실용적인 설계 팁

보수적으로 시작하세요.100 Ω 미분이 필요한 경우 계산기에서 98—102 Ω 를 사용하세요.실제 PCB 제조에는 허용 오차가 있습니다. 트레이스 폭은 ± 10%, 간격은 편차가 있을 수 있으며, 유전율은 온도와 주파수에 따라 달라질 수 있습니다.2 Ω 의 여백은 숨을 쉴 수 있는 공간을 제공합니다.

싱글 트레이스 임피던스가 적절한지 항상 확인하십시오.FR4에서 0.2mm 높이의 5mm 트레이스의 경우 80—100 Ω 범위에 속할 것으로 예상됩니다.계산기에 200 Ω, 라고 표시되면 어딘가에 단위 오류가 발생한 것입니다.

범위를 허용하는 사양 (예: 일부 미분 표준의 경우 85—115 Ω ) 에 맞게 설계하는 경우 계산기를 사용하여 해당 범위의 중간에 위치하는 간격을 구하십시오.사양의 한계를 염두에 두고 설계하지 마십시오. 제조상의 변동으로 인해 사양이 밀려날 수 있습니다.

고속 작업 (5GHz 이상 또는 매우 빠른 상승 시간) 의 경우 필드 솔버를 통해 최종 지오메트리를 실행하십시오.폐쇄형 방정식은 대부분의 용도에서 충분히 정확하지만 여전히 근사치입니다.HFSS에서 몇 시간만 투자하면 리스펀 보드에서 시간을 절약할 수 있습니다.

사용해 보세요

작업 중인 디자인을 고르거나 꿈꿔보고 에지 결합 임베디드 마이크로스트립 계산기 열기.기판 (FR4 또는 Rogers) 과 커버 소재 (솔더마스크가 안전함) 를 선택하고 목표 임피던스에 도달할 때까지 트레이스 너비와 간격을 조정하세요.유효 유전 상수와 전파 지연에 주의를 기울이세요. 유효 유전 상수와 전파 지연은 설계의 균형 여부에 대해 많은 것을 말해 줍니다.홀수 모드 지연과 짝수 모드 지연이 크게 다를 경우 간격이나 높이를 조정해야 한다는 것을 알 수 있습니다.그리고 레이아웃을 설정하기 전에 항상 “검증 범위 내” 플래그를 확인하세요.