[SIPI] Return Path(전류의 흐름 경로)

PCB Design에서 Return Path란 무엇이고 왜 중요한지, 그리고 어떻게 개선할 수 있는지에 대해 알아보겠습니다.

Return Path란 무엇인가?

Return Path란 PCB에서 신호를 전달하는데 필요한 전류의 흐름 경로를 말합니다. PCB에서 신호는 전압과 전류로 구성되어 있으며, 전압은 신호의 원인이고 전류는 신호의 결과입니다. 즉, 신호는 전압이 적용되면 전류가 흐르는 형태로 발생합니다. 이때, 전류는 항상 전압의 차이를 따라 흐르게 되는데, 이를 전위차라고 합니다. 전위차가 없으면 전류는 흐르지 않습니다.

전류는 항상 완전한 회로를 이루어야 흐를 수 있습니다. 즉, 전류는 발생지점에서 돌아오는 지점까지의 경로가 있어야 합니다. 이러한 경로를 Return Path라고 부릅니다. 예를 들어, PCB에서 마이크로컨트롤러(MCU)의 핀에 연결된 LED를 점등시키려면, MCU의 핀에 전압을 인가하면 LED에 전류가 흐르게 됩니다. 이때, LED에 연결된 저항과 그라운드(GND)를 통해 MCU의 GND 핀으로 돌아오는 경로가 Return Path입니다.

Return Path가 중요한 이유

Return Path가 중요한 이유는 다음과 같습니다.

1. Return Path가 잘못되면 신호의 왜곡이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, Return Path가 너무 길거나 굽은 경우, Return Path의 임피던스(저항)가 커지게 되어 전류의 흐름이 방해받을 수 있습니다. 이때, 신호의 주파수나 진폭이 변화하거나 노이즈가 발생할 수 있습니다.

2. Return Path가 잘못되면 전자파 방사가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, Return Path가 너무 넓거나 루프 형태인 경우, Return Path가 안테나 역할을 하여 주변에 전자파를 방사할 수 있습니다. 이때, 주변의 다른 PCB나 기기에 간섭을 일으킬 수 있습니다.

3. Return Path가 잘못되면 전자파 간섭을 받을 수 있습니다. 예를 들어, Return Path가 너무 가까운 곳에 다른 PCB나 기기가 있는 경우, 그들이 방사하는 전자파에 영향을 받을 수 있습니다. 이때, 신호의 정확도나 안정성이 떨어질 수 있습니다.

Return Path를 개선하는 방법

Return Path를 개선하는 방법은 다음과 같습니다.

1. Return Path를 가능한 짧고 직선으로 만듭니다. 이렇게 하면 Return Path의 임피던스를 줄일 수 있고, 신호의 왜곡이나 노이즈를 줄일 수 있습니다.

2. Return Path를 가능한 넓게 만듭니다. 이렇게 하면 Return Path의 인덕턴스(유도)를 줄일 수 있고, 신호의 속도나 정확도를 높일 수 있습니다.

3. Return Path와 신호선을 가능한 근접하게 배치합니다. 이렇게 하면 Return Path와 신호선 사이의 캐패시턴스(용량)를 높일 수 있고, 신호의 진폭이나 안정성을 높일 수 있습니다.

4. Return Path를 단일 평면으로 만듭니다. 이렇게 하면 Return Path의 연속성을 유지할 수 있고, 신호의 왜곡이나 노이즈를 줄일 수 있습니다.

5. Return Path에 변경점이 있는 경우, 스텁을 피하거나 바이어스를 적용합니다. 스텁이란 Return Path에서 신호선과 분기되는 부분을 말하며, 바이어스란 Return Path에 전압을 인가하는 것을 말합니다. 이렇게 하면 Return Path의 임피던스가 일정하게 유지될 수 있고, 신호의 반사나 간섭을 줄일 수 있습니다.

이상 PCB Design에서 Return Path에 대해 알아보았습니다. Return Path는 PCB에서 신호의 흐름 경로를 말하며, 신호의 품질이나 안전성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서, Return Path를 잘 설계하고 개선하는 것이 중요합니다. PCB Design에 관심이 있으시다면, 다음의 자료들을 참고해보세요.

- [PCB Design Tutorial: Return Paths]

- [Return Paths and Signal Integrity]

- [Return Path Discontinuities and Their Effects on Signal Integrity]

2 Layer PCB 에서 Return Path 최적화 하는 방법

2 Layer PCB에서는 보통 한 층은 신호선을 배치하고, 다른 층은 그라운드 평면으로 사용합니다. 이 경우, 한 signal의 Return Path를 1 Layer와 2 layer에서 동일하게 잡는다는 것은, 신호선과 그라운드 평면 사이에 최대한 짧고 넓은 경로를 만든다는 것입니다. 이 방법은 위에서 언급한 원칙들과 일치하기 때문에 좋은 방법입니다. 하지만, 이 방법을 적용하기 위해서는 다음과 같은 문제들을 고려해야 합니다.

1. 신호선과 그라운드 평면 사이에 다른 전원선이나 신호선이 있는 경우, 그들과의 간섭을 피해야 합니다. 예를 들어,전원선과 그라운드 평면 사이에 디커플링 캐패시터를 배치하여 신호선과 전원선 사이의 전류 흐름을 허용할 수 있습니다.

2. 신호선과 그라운드 평면 사이에 비아(via)를 사용하는 경우, 비아의 임피던스가 Return Path에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 비아가 공진 주파수에 도달하면 반사가 발생할 수 있으므로, 비아의 크기와 갯수를 최적화해야 합니다.