[SI/PI] Signal Integrity 란 무엇인가? (EMI)

이전 포트팅부터 2차례 SI/PI 영향을 미치는 개념들에 대해서 간단히 알아봤다.

오늘은 마지막으로 SI/PI 관점 Electromagnetic interference에 대해서 알아보려고 한다. 포스팅 내용은 Signal and Power integrity(Eric Bogatin) 책을 참고했다.

EMI : Electromagnetic Interference, 전자파 간섭

EMI Interference는 간단히 말하면 전류 흐름에 따른 자기장 발생(암페어의 둘레 법칙)으로 발생하는 주변 Signal 들에게 발생하는 간섭 현상이다. 자기장을 통한 전류 유도(패러데이의 전자기 유도 법칙)로 주변의 Interconnects에게 간섭 전류를 전달하는 등의 방식으로 발현된다. 혹은 전압차에 의한 전위차로 발생된 전기장에 의한 간섭 전류 등의 방식으로도 전달될 수 있다.

위와 같은 간섭은 발생원 신호들의 주파수가 강해질수록 더 큰 영향성을 보여주게 되므로,

고속 동작, 즉 고주파수의 동작의 제품을 만들 때 반드시 고려해야 하는 문제가 된다.

그리고 PCB 설계 시에 발생하는 Differential Signal에서 발생하는 간섭의 크기는 주파수의 Square(제곱)과 비례해서 발생하기 때문에 더욱 중요하게 생각할 필요가 있다.

EMI 문제는 Source의 Noise, 방출기와의 Path, 안테나로 인하여 발생하게 된다.

Voltage source에서 방출되는 간섭은 Power, Ground Network에서 발생되며, 이전에 배운 Rail-Collapse noise와 같은 방향으로 개선되곤 한다.

(PDN의 Impedance(Z)를 낮추어 간섭 전류로 인한 Voltage Drop을 최소화할 수 있게 된다.) 그리고 High speed 영역의 Voltage Source를 격리시키는 방향으로도 가능하다.

그리고 외부와 통신을 위한 캐이블들은 안테나와 같은 역할을 하게 되는데, 이와 같은 경우는 캐이블 자체를 Ferrite 등을 통해서 외부와 차폐시키는 방향으로 Shield가 가능하다.

EMI를 포함하여, 총 4가지의 Signal integrity에 영향을 미치는 항목들을 공부했다.

아래 항목들은 일반적으로 2가지 공통된 성질을 가지고 있다. 첫 번째로는 Rise times이 감소할 경우, 즉 고속 주파수일수록 더 악화되는 것이다. 이는 Capacitive, inductive Coupling으로 발생되는 Noise(전류, 전압)의 세기가 dV/dt, DI/dt 와 비례하며, 이는 Rising Time 이 감소할수록 dt가 작아지게 되어 Noise 값이 커지게 되기 때문이다.

또한 Signal integrity의 가장 효율적인 해결책은 Interconnects 들의 Impedance에 대한 이해라는 점이다. Impedance 불연속적인 상황에서의 Reflection, Distortion과 PDS에서 Impedance에서의 Voltage Drop 등에서 발생하는 영향들은 결과적으로는 Vitim Path의 Impedance와 비례하여 noise를 발생시키므로, Impedance가 적절한 수준으로 matching 될 경우, 다수의 문제가 해결이 가능하다.

Signal Integrity 영향을 미치는 항목 4가지

1. 단일 Net에서 발생하는 경우 : Signal과 Return Path 내의 Impedance 불연속 점에서의 Reflection, Distortion

2. 여러 가지 Net에서 발생하는 Cross talk : 이상적, 비이상적 Return Path에서 발생하는 Mutual C, L Coupling

3. Power Distribution system에서 발생하는 Rail collapse : PWR/GND Network Impedance로 발생하는 Voltage Drop

4. 단일 요소 및 시스템에서 발생하는 EMI

다음 시간에는 Design Methology 및 Simulation 관련된 내용을 알아보도록 하겠다.