In this paper, we have analyzed the effects of split power/ground plane on high-speed digital printed circuit board experimentally and numerically. Firstly, we have proposed equivalent circuit model of the signal traces, when the signal traces crosses the ground slot. Previously, when modeling a signal trace crossing a ground slot, the ground slot has been modeled as a simple inductor or inductor-capacitor usually. But the new proposed model is based on a slot transmission line model. The proposed model is more intuitive and gives more accurate results for both reflection and crosstalk simulation. Next, we have proposed some slot shapes to reduce the crosstalk and EMI including multi-layer structures. The crosstalk and EMI of the structures were simulated through the method of moments (MOM). Considering the isolation property, we found the best design of all proposed structure is strip line structure with tapered ground slot.
현재 사용되는 고속 다층 PCB기판 내에는 여러 층의 전력/접지 평면이 존재하게 된다. 스위칭 노이즈나 케이블 전자파 노이즈의 억제, 또 DC전압 레벨의 분리 등의 목적으로 이 전력/접지 평면들이 분할되게 되는데 이는 여러 가지 원치 않는 효과를 야기시키게 된다. 분할선 위를 지나는 신호선에 신호 왜곡을 줄 수 있고 여러 신호선이 동시에 지나갈 경우 신호들간의 누화 또한 심각하게 된다. 또, 분할선 자체에서 전자파가 발생하기도 한다. 이러한 원치 않는 효과들은 회로의 동작 주파수가 증가하면서 점점 심각해지므로 이에 대한 연구가 매우 중요하게 대두되고 있다. 이에 대한 연구로 분할선 위를 지나는 신호선을 모델링하기 위한 연구가 이루어져 왔는데 주로 분할선에 의한 효과를 인덕턴스로 모델링을 하여 왔다. 그러나 인턱터에 의한 모델은 한계가 있고 신호간의 간섭은 전혀 해석을 할 수가 없게 된다. 보다 합당한 모델을 통하면 회로 시뮬레이터 등을 이용하여 빠르게 정확한 결과를 예측할 수 있다는 장점이 있기에 이에 대한 방안으로 전력/접지 평면의 분할선을 슬롯 전송선으로 보고 슬롯 전송선이 신호선에 직렬로 연결되어 있다고 생각하여 모델링하는 방법을 제시하였다. 이러한 모델링 방법에 의하면 슬롯 전송선 끝 단에서의 반사등을 정확히 고려할 수 있어 신호왜곡 파형을 정확히 해석할 수 있고 이 모델을 이용하여 상당히 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있다. 신호간의 간섭효과 또한 이 제안된 모델을 가지고 쉽고 정확하게 해석하고 시뮬레이션 할 수 있게 된다. 따라서 제안된 모델을 통해서 원치 않는 효과를 빠르고 쉽게 직관적으로 예측할 수 있다는 장점이 있다.
또 부가적인 연구로 전력/접지면의 분할에 의한 원치 않는 효과를 억제하기 위한 분할 전력/접지 평면 구조를 제안하였다. 먼저 분할선의 모양을 변경하여 신호 반사나 간섭을 억제하는 디자인을 제안하였고 또 전력/접지 층과 신호선 층의 적층 구조에 따른 원치 않는 효과의 억제도 검토하였다. 마지막으로 신호의 반사, 간섭, 전자파 방출과 노이즈 차단 효과 등을 모두 고려하여 올바른 디자인 가이드를 제안하였다. 제안된 구조를 이용하여 분할된 전력/접지 평면에 의한 원치 않는 효과의 억제를 기대할 수 있다.
