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EMC

PCB 트레이스 크로스토크 (EMC)

용량성 커플링과 유도성 커플링의 PCB 트레이스 크로스토크를 분석합니다.EMC 사전 컴플라이언스를 위한 커플링 전압 및 dB 절연을 계산합니다.

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공식

Vcap=VA×Cm×2πf×Z,Vind=Lm×2πf×(VA/Z)V_cap = V_A × C_m × 2πf × Z, V_ind = L_m × 2πf × (V_A/Z)

작동 방식

PCB 크로스토크 EMC 계산기는 CISPR 32 규정 준수, 신호 무결성 검증 및 크로스토크 결합 노이즈가 -40dB (1% 커플링) 임계값을 초과하지 않도록 하는 데 필수적인 복사 방출 분석을 위해 트레이스 간의 전자기 커플링을 계산합니다.EMC 엔지니어들은 이를 이용해 잡음이 심한 공격자와 결합했을 때 2차 방출원이 되는 피해자 흔적을 식별합니다.

헨리 오트의 'EMC 엔지니어링'과 존슨/그레이엄의 '고속 디지털 설계'에 따르면 크로스토크는 용량성 결합 (V_cap = C_m x dV/dt x z_load) 과 유도적 결합 (V_ind = L_m x di/dt) 을 통해 노이즈를 주입합니다.전체 크로스토크는 주파수와 병렬 실행 길이에 따라 선형적으로 스케일링됩니다.100MHz에서 0.3mm 간격의 50옴 트레이스 2개가 50mm 병렬로 실행되는 경우 500MHz에서는 약 -40dB 크로스토크가 발생하고 500MHz에서는 -26dB가 발생합니다.

크로스토크는 결합된 노이즈가 I/O 커넥터에 도달할 때 EMC 문제를 일으킵니다.Ott의 경우 케이블로 라우팅되는 희생자 트레이스가 보조 안테나가 됩니다. 200MHz에서 1m 케이블로 -30dB 크로스토크를 하면 해당 주파수에서 방사 방출에 10dB가 추가되어 잠재적으로 CISPR 32 클래스 B 장애가 발생할 수 있습니다.IPC-2141A '3W 규칙' (트레이스 간격은 트레이스 폭이 3배 이상) 은 크로스토크를 -40dB로 제한하는데, 이는 대부분의 디지털 신호에 충분합니다.

니어엔드 크로스토크 (NEXT) 는 대상 트레이스의 소스 끝에 나타나고, 원거리 크로스토크 (FEXT) 는 맨 끝에 나타납니다.Johnson/Graham에 따르면 동종 전송선 (스트립라인) 에서는 용량성 결합과 유도성 결합의 상쇄로 인해 FEXT가 0에 가까워지기 때문에 EMC에 민감한 설계에서는 장거리 병렬 경로에 스트립라인을 사용하는 것이 좋습니다.

계산 예제

문제: 사전 컴플라이언스 스캔 시 USB 케이블에서 65dBUV/m 속도로 200MHz 방출이 나타납니다 (CISPR 32 클래스 B 제한: 3m에서 40dBUV/m).USB 데이터 트레이스는 0.5mm 간격으로 200MHz 클록 트레이스와 80mm 병렬로 실행됩니다.크로스토크 기여도를 계산합니다.

Ott별 솔루션: 1.0.5mm 간격, 지상 0.2mm 높이의 크로스토크 계수: 25mm당 약 -35dB

  1. 80mm 평행 길이: 80/25 = 3.2 섹션, 크로스토크 증가 10 x 로그10 (3.2) = 5 dB
3.200메가헤르츠에서의 총 크로스토크: -35 + 5 = -30 데시벨 4.클록 진폭: 3.3V = 70dBuV로 가정 5.USB 트레이스에 연결된 전압: 70 - 30 = 40dBuV 6.200메가헤르츠 속에서의 USB 케이블 (1m) 안테나 팩터: 약 +25dB/m 7.크로스토크로 인한 방사장: 40 + 25 = 65dBUV/m — 측정된 방출량과 일치합니다!

해결 방법: 간격을 3W 규칙 (0.5mm 트레이스의 경우 1.5mm) = 6dB 향상으로 늘리거나 병렬 실행을 20mm = 6dB 개선으로 줄이십시오.둘 중 어느 쪽이든 방출량은 59dBUV/m까지 올라가지만 여전히 제한값보다 19dB를 초과할 수 있습니다.클럭 필터링+간격 증가가 필요합니다.

실용적인 팁

  • ✓디지털 신호에 3W 규칙 (간격 = 3x 트레이스 폭) 을 적용하십시오. IPC-2141A 기준으로 대부분의 애플리케이션에서 충분한 -40dB의 크로스토크를 얻을 수 있습니다.민감한 신호 (클록, 레퍼런스) 의 경우 -50dB에 5W 간격을 사용하십시오.
  • ✓인접 레이어에 직교로 라우팅 — Johnson/Graham에 따르면 수직 라우팅은 병렬 커플링을 제거하므로 일반적으로 -60dB 미만의 교차점 (몇 mm 중첩) 만 영향을 미칩니다.인접 레이어에서는 절대 평행하게 라우팅하지 마십시오.
  • ✓민감한 신호에는 스트립라인을 사용하십시오. Ott에 따르면 두 번째 접지면은 필드 제한으로 인해 마이크로스트립보다 6-10dB 더 나은 절연을 제공합니다.고속 클록 및 레퍼런스 신호에 매우 중요합니다.

흔한 실수

  • ✗크로스토크가 신호 무결성 문제일 뿐이라고 가정하면, Ott에 따르면 I/O 트레이스의 크로스토크 결합 노이즈가 케이블에서 방출되어 I/O 인터페이스의 잘못으로 인한 EMC 장애가 발생하는 경우가 많습니다.항상 크로스토크 경로를 통해 배출원을 추적하십시오.
  • ✗고속 클럭을 I/O 트레이스와 병렬로 라우팅하기 — Johnson/Graham에 따르면 클록의 고조파는 300MHz 이상으로 확장되며, 10mm 병렬 실행도 300MHz에서 -45dB를 커플링하여 잠재적으로 CISPR 32 제한을 초과할 수 있습니다.모든 I/O 트레이스에 수직으로 클럭을 라우팅합니다.
  • ✗적절한 접지 없이 가드 트레이스에 의존 — IPC-2141A 기준에 따르면, 접지되지 않은 가드 트레이스는 특정 주파수에서 공진하여 해당 주파수에서 크로스토크를 증가시킬 수 있습니다.그라운드 가드 트레이스는 10mm마다 비아를 사용하여 일관된 차폐를 제공합니다.

자주 묻는 질문

Johnson/Graham의 임피던스에 따라 다름: 피해자의 부하 임피던스가 높을 때 (>100ohm) 용량성 크로스토크가 우세하고, 피해자의 임피던스가 낮을 때 (25ohm 미만) 유도성이 지배적입니다.50ohm (제어된 임피던스에 일반적으로 사용됨) 에서는 둘 다 거의 동일한 기여를 합니다.IPC-2141A 3W 규칙은 두 메커니즘을 비슷한 양만큼 감소시킵니다.
그렇습니다. Ott에 따르면 I/O 트레이스의 크로스토크 결합 노이즈는 연결된 케이블을 통해 방출됩니다.200MHz에서 1m 케이블에 -30dB 크로스토크를 결합하면 CISPR 32 한계를 초과하는 전계 강도가 발생할 수 있습니다.이는 일반적인 '숨겨진' 장애 메커니즘입니다. 원인은 I/O 인터페이스인 것처럼 보이지만 실제 원인은 클록 또는 스위칭 전원 공급 장치로 인한 내부 누화입니다.
Johnson/Graham에 따르면 솔리드 레퍼런스 플레인은 각 트레이스 바로 아래에 낮은 임피던스 리턴 경로를 제공하여 참조 평면이 없는 트레이스에 비해 루프 영역과 커플링 계수를 60-80% 줄입니다.스트립라인 (두 플레인 사이의 트레이스) 은 동일한 트레이스 분리에서 마이크로스트립 (단일 평면 위의 트레이스) 보다 6-20dB 더 우수한 절연 성능을 발휘하므로 필드 제한 기능이 더 우수합니다.
Johnson/Graham에 따르면 NEXT (근거리) 는 피해자의 소스 끝에서 측정한 크로스토크이고, FEXT (맨 끝) 는 종료 지점에서 측정됩니다.다음 = (C_m x Z0 + L_m/z0) /4; FEXT = (C_m x Z0 - L_m/z0) /2 x 길이/속도입니다.동질선 (스트립라인) 에서 L_m/z0은 거의 C_m x Z0과 같으므로 FEXT는 0에 가까워집니다.마이크로스트립은 유전체가 불균일하기 때문에 FEXT가 0이 아닙니다.
크로스토크가 노이즈 마진이나 EMC 한계를 초과하는 경우Ott의 경우 크로스토크는 주파수에 따라 선형적으로 확장됩니다. 동일한 지오메트리의 경우 100MHz에서 -45dB가 500MHz에서 -33dB가 됩니다.CISPR 32의 방사 한계는 30MHz에서 시작하고, 100MHz 이상에서는 디지털 클록 (고조파가 500MHz 이상) 에서 발생하는 크로스토크 (고조파 500+ MHz) 로 인한 고장이 발생하는 경우가 많습니다.최대 유효 고조파 (일반적으로 클럭 5~7차 고조파) 에서 크로스토크를 분석합니다.

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