PCB 레이아웃 엔지니어에게 휴대전화는 최종적인 과제이다. 각 서브시스템은 상충되는 요구조건을 가지며, 최근 휴대전화는 휴대용 기기에 사용되는 거의 모든 서브시스템을 포함하고 있다.
스마트 PCB 레이아웃을 이용한 휴대전화 오디오 채널의 잡음 최소화
글│Adrian Rolufs, strategic applications engineer, Maxim
PCB 레이아웃 엔지니어에게 휴대전화는 최종적인 과제이다. 각 서브시스템은 상충되는 요구조건을 가지며, 최근 휴대전화는 휴대용 기기에 사용되는 거의 모든 서브시스템을 포함하고 있다. 잘 설계된 PCB는 연결된 각 소자의 성능을 극대화하는 동시에 다양한 서브시스템이 서로 간섭하지 못하도록 해야 한다. 각 서브시스템의 요구사항이 상충되므로 일부 절충은 불가피하다. 휴대전화에서 오디오 기능이 늘어남에도 불구하고 PCB 설계 과정에서 오디오 회로에 대한 고려는 미미한 수준이다.
부품 배치
모든 PCB 설계의 첫 번째 단계는 PCB 상에서 부품 배치이다. 이러한 작업을 ??플로어 플래닝(floor planning)??이라고 한다. 신중한 부품 배치는 신호 라우팅과 접지 영역 배치를 용이하게 하고 잡음 발생(noise pickup)과 필요한 실장 면적을 최소화한다.
휴대전화는 디지털 회로와 아날로그 회로로 구성되어 있는데 디지털 부품에서 발생하는 잡음이 민감한 아날로그 회로와 간섭하지 않도록 하기 위해서는 이 둘을 분리시켜야 한다. PCB를 디지털과 아날로그 영역으로 구분하면 분리 작업이 간단해진다. 휴대전화의 RF부는 일반적으로 아날로그로 간주되지만 많은 휴대전화 설계에서는 RF부에서 결합되어 오디오 회로로 들어가는 잡음이 가청 잡음 안으로 복조되는 공통적인 문제가 존재한다. 이를 방지하기 위해 RF부와 오디오 부분은 가능한 떨어지게 배치한다.
아날로그, 디지털, RF 부분으로 PCB의 각 배치 영역을 구분한 다음에는 아날로그부 내에서 부품 배치를 선택해야 한다. 부품은 오디오 신호의 이동 거리를 최소화하도록 배치해야 하며, 오디오 앰프는 헤드폰 잭과 라우드스피커에 가능한 가깝게 위치시킨다. 이러한 배치는 클래스 D 스피커 앰프에서 발생하는 EMI 방사를 최소화하고 낮은 진폭의 헤드폰 신호의 잡음 민감성을 최소화한다. 앰프 입력에서 잡음을 최소화하려면 아날로그 오디오를 공급하는 소자를 앰프에 가능한 가깝게 놓는다. 모든 입력 신호 배선은 RF 신호에 대한 안테나 역할을 하지만, 배선을 짧게 하면 특정 주파수에 대한 안테나 효율을 감소시키는 데 도움이 된다.
부품 배치의 예
그림 1은 부적절한 오디오 부품 배치의 예를 보여준다. 가장 심각한 문제는 오디오 앰프가 오디오 소스와 너무 멀리 떨어져 있다는 것이다. 이렇게 되면 배선 자체가 잡음이 있는 디지털 회로에 가까이 지나기 쉬우므로 잡음 커플링의 가능성이 커진다. 또 긴 트레이스는 RF 안테나 역할을 할 수 있다. GSM 기술을 사용하는 휴대전화에서 이러한 안테나는 GSM 전송을 포착하여 오디오 앰프에 신호를 공급한다. 거의 모든 앰프는 일정한 수준으로 217Hz 엔벨로프를 복조하여 출력에 원하지 않는 잡음을 발생시킨다. 최악의 경우 이러한 프로세스는 오디오 신호가 완전히 묻힐 수 있는 잡음을 출력에 발생시킨다. 입력 선 길이를 최소화하면 신호는 앰프에 도달할 수 없다.
그림 1. 부적절한 부품 배치
그림 1에 보이는 부품 배치의 또 다른 문제는 앰프가 스피커와 헤드폰 잭에 가까이 있지 않다는 점이다. 스피커 앰프가 클래스 D인 경우, 긴 스피커 트레이스는 앰프에서 발생하는 EMI를 증가시킨다. 이러한 방사로 인해 정부가 규정한 테스트를 통과하지 못할 수 있다. 긴 헤드폰과 스피커 출력 트레이스는 모두 트레이스 저항을 증가시키므로, 부하에 공급되는 출력을 떨어뜨린다.
마지막으로 부품이 너무 떨어져 있으면, 부품을 연결하는 선은 휴대전화의 다른 서브시스템에 인접하여 라우팅된다. 이러한 거리는 배선을 더 어렵게 할 뿐 아니라 다른 부품을 배치할 때에도 곤란을 겪게 된다.
그림 2는 그림 1과 부품 구성이 동일하지만 공간을 보다 효과적으로 사용하면서 트레이스 길이를 최소화하도록 재배치되었다. 오디오 회로가 헤드폰 잭과 스피커와 가까이 있도록 어떻게 영역이 나뉘었는지 살펴보면, 오디오 입출력 트레이스는 이전보다 훨씬 짧아지고 오디오 이외의 회로는 PCB의 다른 부분으로 이동되었다. 이러한 설계는 전체 시스템 잡음을 낮추고 RF 간섭에는 덜 민감하며 레이아웃을 보다 간편하게 한다.
그림 2. 바람직한 부품 배치
신호 라우팅
오디오 출력에서 발생하는 잡음과 왜곡을 감안하면 신호 라우팅은 보통 효과가 제한적이긴 하지만, 성능을 저하시키지 않기 위해 고려할 수 있는 몇 가지 사항이 있다.
라우드스피커 앰프는 보통 배터리로부터 직접 전원을 공급 받기 때문에 상대적으로 높은 전류가 필요하다. 만약 전원 트레이스가 너무 길고 폭이 좁으면 전원 리플이 증가할 수 있다. 길고 폭이 좁은 트레이스는 폭이 넓고 짧은 트레이스에 비해 더 높은 저항을 갖는다. 트레이스 저항은 소자에서 변동 전류 흐름을 변동 전압으로 전환시킬 수 있다.
차동 시그널링이 구현 가능한 경우에는 언제나 이를 이용해야 한다. 차동 입력은 포지티브 및 네거티브 신호 라인에 공통되는 모든 신호를 제거함으로써 잡음 내성을 제공한다. 효과적인 차동 앰프 동작을 위해서는 차동 신호 쌍이 동일한 길이와 동일한 임피던스를 갖는 것이 중요하며, 또 동일한 잡음을 픽업(pickup)하도록 신호 쌍을 가능한 서로 가깝게 라우팅해야 하다. 앰프의 차동 입력은 특히 시스템의 디지털 회로에서 잡음을 줄이는 데 효과적이다.
접지
오디오 회로에서 접지는 잠재적 성능이 시스템에서 구현될지 여부를 결정하는 가장 중요한 요소이다. 접지가 부적절한 시스템은 왜곡과 잡음, 크로스토크가 높고, RF 내성이 낮은 경향이 있다. 시스템 접지에 얼마나 많은 시간을 할애해야 하는가에 대한 정확한 대답은 하기 어렵지만 신중하게 설계된 접지 구조는 많은 문제 발생 가능성을 크게 줄여준다.
모든 시스템의 접지는 두 가지 용도로 사용된다. 첫째는 소자로 흐르는 모든 전류에 대한 리턴 경로를 제공하는 것이고, 둘째는 디지털 및 아날로그 회로에 모두 기준전압 역할을 하는 것이다. 모든 접지 지점의 전압이 같다면, 접지 작업은 간단해지지만, 현실적으로 이는 불가능하다. 모든 와이어와 트레이스는 일정한 저항을 가지며, 이것은 접지를 통해 흐르는 전류가 존재할 때마다 그에 상응하는 전압 강하가 존재한다는 것을 의미한다. 또한 모든 와이어 루프는 인덕터를 형성한다. 이는 배터리에서 부하로, 그리고 다시 배터리로 흐를 때마다 전류 경로가 일부 인덕턴스를 갖는다는 것을 의미한다. 인덕턴스는 고주파수에서 접지 임피던스를 증가시킨다.
특정 애플리케이션을 위한 최적의 접지 시스템을 설계하는 일이 간단한 작업이 아니지만, 모든 시스템에 적용할 수 있는 몇 가지 일반적인 가이드라인이 있다.
1) 디지털 회로를 위한 연속적인 접지 면을 만든다.
접지 면(ground plane)의 디지털 전류는 되돌아오는 신호 트레이스를 따르는 경향이 있다. 이러한 경로는 전류에 대해 가장 작은 루프 면적을 형성하므로, 안테나 효과와 인덕턴스를 최소화한다. 모든 디지털 신호 트레이스가 대응하는 접지 경로를 갖도록 보장하는 최상의 방법은 신호 레이어에 가장 가까운 레이어 위에 연속적인 접지 면을 만드는 것이다. 이 레이어는 디지털 신호 트레이스와 동일한 영역을 커버하도록 하고, 가능하면 접지의 연속성에 영향을 미치지 않도록 해야 한다. 접지 면의 모든 간섭은 접지 전류가 적합한 수준보다 더 큰 루프에서 흐르도록 하기 때문에 방사와 잡음을 증가시킨다.
2) 접지 전류를 분리시킨다.
디지털 전류로 인해 아날로그 회로의 잡음이 증가되지 않도록 하려면 디지털 회로와 아날로그 회로에 흐르는 접지 전류를 분리시켜야 한다. 가장 좋은 방법은 부품을 적절한 위치에 배치하는 것이다. 모든 아날로그 회로는 PCB의 한 부분에 배치하고, 모든 디지털 회로는 다른 부분에 배치하면, 접지 전류는 자연적으로 절연된다. 이를 성공적으로 수행하려면 PCB의 모든 레이어에서 아날로그 부분에는 아날로그 회로만 배치하도록 한다.
3) 아날로그 회로에 스타 그라운드 기술 사용하기
스타 그라운드는 PCB의 한 지점을 공식적인 접지 지점으로 사용한다. 이점, 이 지점만 접지 전위에 있는 것으로 간주할 수 있다. 휴대전화에서 배터리 접지 단자는 스타 포인트를 위한 논리적인 선택이다. 전류가 접지 면으로 흘러 사라지기 보다는 모든 접지 전류가 이 접지 지점으로 다시 흘러들어 온다고 생각하라.
오디오 전력 증폭기는 상대적으로 큰 전류를 소비하는 경향이 있으며, 이는 자체 기준 접지와 시스템의 다른 기준 접지에 모두 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제를 방지하려면 브리지 앰프 전력 접지와 헤드폰 잭 접지 리턴에 전용 리턴 경로를 제공하는 것이 가장 좋다. 분리는 이들 전류가 접지 면의 다른 부분의 전압에 영향을 미치지 않으면서 배터리로 다시 흘러들어 오게 한다. 이러한 전용 리턴 경로는 디지털 리턴 전류를 차단할 수 있으므로 디지털 신호 트레이스 아래로 라우팅해서는 안 된다.
4) 바이패스 커패시터 효율을 극대화한다.
거의 모든 소자는 전원 라인에서 제공할 수 없는 순간 전류를 소자에 제공하기 위해 바이패스 커패시터를 필요로 한다. 커패시터와 소자의 전원 핀 사이의 인덕턴스를 최소화하려면 이러한 커패시턴스를 바이패스하는 전원 핀에 가능한 가깝게 위치시킨다. 모든 인덕턴스는 바이패스 커패시터의 효과를 떨어뜨린다. 마찬가지로, 커패시터의 고주파 임피던스를 최소화하기 위해서는 접지에 대한 낮은 임피던스를 연결해야 한다. 커패시터의 접지 사이드와 접지 면은 트레이스를 통해 라우팅하지 말고 직접 연결한다.
5) 사용하지 않는 모든 PCB 부분은 접지로 채운다.
두 개의 구리 조각이 서로 가까이 있으면 이 둘 사이에는 항상 작은 용량성 커플링이 형성된다. 접지 플러드(ground flood)가 신호 트레이스에 가까이 흐르게 함으로써 신호 라인의 원치 않는 고주파 에너지가 용량성 커플링을 통해 접지로 션트될 수 있다.
접지의 예
그림 3은 적절히 접지된 시스템의 예를 보여준다. 주의할 점은 첫째, PCB의 하단은 디지털 부분으로, 상단은 아날로그 부분으로 파티션한다. 파티션 경계를 가로지르는 유일한 신호는 I2C 제어 신호뿐이며, 이들 신호는 신호 트레이스를 따라 직접 리턴 경로를 갖는다. 이러한 레이아웃은 디지털 신호가 보드의 디지털 부분에만 머물도록 하고, 디지털 접지 전류가 접지 면의 분할에 의해 영향받지 않도록 한다. 또한 대부분의 접지 면이 인터럽트의 영향을 받지 않도록 주의한다. 인터럽트가 존재하는 디지털 부분에서도 접지 면은 전류가 자유롭게 흐를 수 있도록 충분히 떨어뜨려 배치한다.
그림 3. 실크스크린과 접지 레이어의 예
이 예에서 스타 포인트는 PCB 상단의 왼쪽 모서리에 있다. 접지 면의 아날로그 부분에 있는 브레이크(break)는 일반 아날로그 접지 면과 간섭하지 않으면서 클래스 D와 차지 펌프 전류가 스타 포인트로 다시 흘러들어갈 수 있게 한다. 또한 헤드폰 잭은 헤드폰 접지 전류가스타 포인트로 다시 흘러 들어가게 하는 전용 트레이스를 갖는다.
결론
PCB를 적절히 설계하는 작업은 많은 시간을 요구하는 어려운 작업이지만 시간을 투자할 가치가 있다. 최종적으로는 잡음과 왜곡이 적고 RF 신호에 대한 내성이 더 높은 시스템을 구현할 수 있으며 PCB의 EMI 성능 향상과 더 적은 차폐를 필요로 한다. 궁극적으로, PCB가 신중하게 설계되지 않으면 예방 가능한 문제들이 제품 테스트 과정에서 드러나게 된다. 일단 레이아웃이 완성되면 이러한 문제는 수정하기가 훨씬 더 어려우며, 바로 잡기 위해서는 상당한 시간이 요구되는 경우가 많다. 보통 이러한 수정 작업에는 추가 부품이 필요하게 되고, 이는 전체적인 시스템 비용과 복잡성을 더하는 결과를 초래한다.
저자 약력:
Adrian Rolufs는 Maxim Integrated Products의 오디오 제품 전략적 애플리케이션 엔지니어이다. 그는 CalPoly(San LuisObispo)에서 BSEE 학위를 받았으며 2004년에Maxim에 입사하여 오디오 재생과 산악 자전거 관련 분야를 맡고 있다.