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Design of High-Speed Multi-Layer PCB for Ultra High Definition Video Signals
Design of High-Speed Multi-Layer PCB for Ultra High Definition Video Signals
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2015. Jul, 19(7): 1639-1645
Copyright © 2015, The Korean Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : April 03, 2015
  • Accepted : May 12, 2015
  • Published : July 31, 2015
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종호 진
eb9000@naver.com
희배 손
영철 이

Abstract
UHD 고속영상 전송 시스템에서 EMI 특성은 특정 주파수 대역의 신호가 전기적, 구조적으로 주파수가 일치될 때, 에너지가 집중되고 신호의 흐름을 방해하여 왜곡이 발생하므로 시스템이 불안정해지는 원인이 된다. 이러한 신호의 왜곡을 제거하기 위하여 전원 무결성 분석과 EMI 현상에 대한 고주파 설계기법이 요구되어진다. 따라서 본 논문에서는 다층인쇄회로기판(MLB : Multi-Layer Printed Circuit Board) 구조에서 발생하는 고주파 잡음을 최소화하고 신호 무결성과 전원 무결성을 개선하면서 EMI를 억제하는 최적의 MLB 설계방법을 제안한다. 제안한 MLB의 특성 임피던스 파라미터는 비유전율 εr = 4.3, 고속영상 차동신호(HSVDS : High-Speed Vi h = 0.145deo Differential Signaling)의 선로 폭 w = 0.203, 패턴의 간격 d = 0.203, 패턴의 두께 t = 0.0175, 베타층 위의 높이 를 고려하여 특성 임피던스 Zdiff = 100.186 Ω 으로 설계하였다. 실험결과 아이패턴의 출력 크기가 672mV, 지터는 6.593ps, 전송 주파수가 1.322GHz, 신호 대 잡음비는 29.62dB로 전송 품질이 개선 전보다 약 10dB 향상 되었다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
UHDTV는 HDTV 화질보다 4배에서 16배의 화소수를 제공하며 70mm 영화 수준의 초고선명, 대화면, 고품질로 방송 서비스가 가능하다. 가정에서 큰 화면으로 더욱 섬세하고 자연스러운 영상표현이 가능하므로 UHDTV 방송은 HDTV 방송보다 더욱 화소가 높은 화면에서 보다 선명한 콘텐츠를 감상할 수 있도록 하여 시청에 대한 현장감과 실재감을 제공한다 [1] . UHD급 멀티미디어 콘텐츠 종류의 증가와 고해상도의 다양한 정보 전달에서 영상 데이터를 효율적으로 표현하기 위하여 대면적, 고해상도의 디스플레이 장치가 요구된다. UHD급 고해상도 디스플레이는 영상 시스템 내에서 신호의 무결성을 보장하면서 고속으로 전송하는 인터페이스 기술이 평판 디스플레이 구동회로 분야에 있어서 매우 중요한 기술 중에 하나이다 [2] . 고해상도의 영상신호 정보를 효율적으로 전송하기 위해 디스플레이 시스템 내부에서 고속으로 영상신호를 전송해야 한다. 기존의 디스플레이 인터페이스 전송 방식인 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)를 사용하여 고속의 대용량 데이터를 전송하면 데이터 지연에 따른 스큐(Skew) 현상과 EMI 문제가 발생하여 기술적인 한계가 있다 [3] . 특히 UHD급 해상도(4K2K)의 디스플레이 시스템을 구현하기 위하여 디스플레이 내부의 TCON(timing control) 보드와 구동 패널 간의 새로운 인터페이스 기술이 요구되어 진다 [4 - 6] . HD급 해상도의 인터페이스에서 적용되는 LVDS 기술을 이용하여 UHD급 디스플레이 장치를 구동하려면 전송 수를 증가 시켜 구현한다. 전송 수의 증가는 EMI 발생과 기기 내의 공간 부족 등의 이유로 UHD급 고속 데이터 전송에 한계가 있으므로 고속영상 차동신호(HSVDS : High Speed Video Differential Signaling) 전송 방법을 이용한 인터페이스 기술이 제시 되었다 [7 - 9] . HSVDS 전송은 LCD 패널 내부 영상처리 보드와 TCON 보드 간의 인터페이스 기술로 THine Electronics 사로부터 사양이 공개표준화 되어있다 [3 , 7] .
제안한 HSVDS 전송은 기기비트 시리얼 인터페이스 전송기술의 직병렬 변환기(Serializer/ Deserializer)를 이용하여 1레인(lane)에 화소 당 최대 40비트의 속도로 신호를 전송하며 클록 데이터 복구에 의한 전송선로 간의 스큐문제를 줄여 EMI를 감소시킴으로써 우수성이 제시 되고 있으나 고속 영상신호 전송에 따른 고주파 전송선로에서 신호 무결성(signal integrity) 특성의 분석이 요구된다. 본 논문에서는 HSVDS를 이용하여 UHD급 영상신호를 구현하고 전송선로 인터페이스에 대한 다층인쇄회로기판(MLB : Multi-Layer Printed Circuit Board)의 특성 임피던스를 분석하고자 한다.
Ⅱ. 고속영상 차동신호의 전송선로
HSVDS는 영상장치의 디스플레이 패널과 영상신호를 제어하는 IC 간 데이터 송수신 인터페이스에 사용된다. 기존의 데이터 송수신에서는 LVDS 인터페이스가 사용되었으나 최근 영상신호 데이터의 대용량, 고속화로 인한 전송선로 수의 증가로 영상장치의 공간부족과 비용증가로 UHD급 영상신호 전송에 적용하기에는 한계가 있다. LVDS의 한계를 극복하기 위하여 다른 표준들이 등장하게 되었으며 본 논문에서는 UHD급 영상신호 인터페이스 표준인 HSVDS를 사용하여 고속 MLB의 회로 설계 방법과 SI(signal Integrity)특성 분석에 대하여 제안하고자 한다. 고주파 전송선로의 설계는 일반적으로 다층구조(multi layer)로 설계되며, 이러한 구조는 고속 영상전송에서 나타나는 신호의 잡음과 지터 및 EMI 복사현상을 억제시킨다 [10] . 다층구조의 회로기판 임피던스 특성은 설계한 기판의 치수와 두께, 재질에 따라 결정되므로 고속 전송에 따른 신호 무결성특성과 전원 무결성(power integrity) 특성을 요구한다. 다층구조의 회로기판 설계에서 고려되어야 할 사항은 전기적 EMI 문제를 해결하기 위한 다접지(multi-point ground) 구조에 따른 임피던스 결합(impedance coupling)이다. 이러한 문제점의 해결방법으로 AC 결합 커패시터를 적용하거나 RF 쵸크를 사용하여 임피던스의 결합관계를 분석한다 [9 - 11] . 고속 전송선로에서 전자기적 문제의 발생요인은 MLB의 환경적 요소에 의한 임피던스 변동으로 신호 무결성과 함께 임피던스 변화에 따른 전원공급의 전압 변동에 의한 전원 무결성 현상을 억제 시켜야한다 [11 , 12] . 그림 1 은 UHD급 고해상도 영상신호 전송을 하기위한 16레인의 HSVDS 전송선로와 직병렬 변환기를 적용한 시스템 구성도이다. 영상 데이터를 처리하는 직병렬 변환기 시스템은 UHD급 BMP 영상 데이터를 디스플레이 패널에 전송되며 이때 전송선로는 신호 무결성과 전원 무결성의 특성에 따라 고속 영상신호의 품질에 영향을 받는다. 이와 같이 고해상도 영상신호를 무결성으로 디스플레이 패널에 전송시키기 위하여 고주파 전송기법에 의한 MLB를 설계하고 고속 영상신호 전송에 따른 신호 왜곡과 지터에 의한 신호품질에 대한 분석이 요구되어진다.
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UHD급 고해상도 영상신호 전송 시스템 구성도 Fig. 1 Block diagram of UHD video signal transmission system
UHD급 대형 패널 시스템 내부에서 고화질의 고속영상 신호전송은 TCON 보드와 HSVDS 전송선로 사이에 고주파 특성을 고려한 마이크로스트립 선로(microstrip transmission line)로 설계하여 UHD급 영상신호의 왜곡을 제거 시킨다. 고속 영상신호의 무결성을 분석하기 위하여 MLB의 설계 단계부터 HSVDS 칩에 대한 입출력 핀 정보가 있는 IBIS(Input/ output Buffer Information Specification) 모델을 사용하여 신호의 무결성과 EMI/ EMC를 분석한다 [12] . 그림 2 는 고속 회로 신호분석 Designer SI 프로그램을 이용하여 고주파 전송선로 설계 기법을 적용하였다.
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고속영상신호 인터페이스 전송단 설계 Fig. 2 Circuit design of high speed video signal interface transmitter
실제 THine 사에서 제공하는 THCV215 칩의 IBIS 모델을 적용하여 HSVDS를 출력하고 MLB의 마이크로 스트립 전송선로에 AC 커플링 커패시터를 구성하여 분석 하였다.
MLB 특성 임피던스의 설계 파라미터에 대한 아이(Eye) 패턴을 분석하기 위하여 MLB에 동일한 선폭을 가지는 마이크로스트립 선로로 설계하고 선로의 길이와 패턴의 두께 및 간격에 따라 신호의 특성을 분석하였다. 설계한 파라미터는 HSVDS의 아이 패턴 소스원에 2Gbps의 고속신호를 입력하고 IBIS 모델의 공급전압을 1.8V로 인가하였으며 마이크로스트립 선로의 길이는 실제 설계한 전송선로 길이를 고려하였다. 실제 설계한 HSVDS 전송선로의 마이크로스트립 전송선로는 수 Gbps 이상의 고속 데이터를 전송하므로 8층의 MLB 구조에서 베타층을 접지층으로 설계하여 신호 무결성을 분석하였다. 이때 송수신단 사이에 전송되는 선로의 특성 임피던스는 MLB의 비유전율 εr = 4.3, 마이크로스트립 선로의 패턴 폭 w = 0.203, 패턴의 간격 d = 0.203, 패턴의 두께 t = 0.0175, 베타층 위의 높이 h = 0.145를 고려하여 특성 임피던스 Zdiff = 100.186 Ω 으로 설계하였다. 그림 3 은 MLB의 특성 임피던스 크기 변화에 대하여 90 Ω , 100 Ω , 110 Ω , 120 Ω 으로 모의실험 하였다. 회로 설계 파라미터로 전송선로의 길이는 100mm, AC 커플링 커패시터는 100nF, 설계한 보드의 재질은 FR4의 비유전율을 적용하여 분석하였다.
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다층인쇄회로기판 특성 임피던스의 아이패턴 분석 (a) 특성 임피던스 (90Ω) (b) 특성 임피던스 (100Ω) (c) 특성 임피던스 (110Ω) (d) 특성 임피던스 (120Ω) Fig. 3 Eye diagram analysis of multi-layer printed circuit board characteristic impedance (a) Characteristic impedance (90Ω) (b) Characteristic impedance (100Ω) (c) Characteristic impedance (110Ω) (d) Characteristic impedance (120Ω)
그림 3 에 대한 아이패턴 분석 결과를 표 1 에 나타내었으며 HSVDS 전송선로의 고속신호 출력에서 MLB의 특성 임피던스가 100 Ω 일 때, 아이패턴의 크기가 612.85mV, 신호 대 잡음비는 3.83dB, 지터는 0.275ps, 상승/ 하강시간은 각각 0.3345ps/ 0.3727ps로 고속 영상신호 출력 특성이 우수함을 확인하였다.
다층인쇄회로기판 특성 임피던스 아이패턴 분석 결과Table. 1 Eye diagrams simulation result of multi-layer printed circuit board characteristic impedance
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다층인쇄회로기판 특성 임피던스 아이패턴 분석 결과 Table. 1 Eye diagrams simulation result of multi-layer printed circuit board characteristic impedance
Ⅲ. 다중인쇄회로기판 설계
고주파 전송선로에서 MLB 설계는 일반적으로 다층구조로 설계하고 고속 영상신호에서 나타날 수 있는 잡음과 지터, EMI 복사현상을 고려하여 다층기판의 크기와 두께 및 재질을 분석하여 설계한다. 그림 4 는 HSVDS 인터페이스에서 8 레인의 마이크로스트립 전송선로를 적용하였다.
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다층인쇄회로기판 인터페이스 설계 (a) 개선 전 (a) 개선 후 Fig. 4 Interface design of the multi-layer printed circuit board (a) Improvement before (b) Improvement after
그림 4 (a)는 임의적으로 전송선로를 구부림만을 고려하여 설계하였지만 그림 4 (b)는 고속 전송에 필요한 마이크로스트립 선로의 구부림 전송선로 이론 [11] 을 적용하여 동일 특성임피던스를 고려한 전송설로를 설계하였다. 또한 기존의 68핀 Centronics 커넥터에서 고속 영상신호 전송에 검증된 HDMI 커넥터로 변경하고 전자기적으로 문제가 되는 영역을 예상하여 비아 홀을 추가하였다. 그림 5 는 실제 설계한 MLB의 특성 임피던스를 측정하기 위하여 입력단에 고속 영상신호의 동작 주파수를 2GHz로 적용하고 SMA 커넥터를 사용하여 회로를 구성하였다. SMA 커넥터 종단에는 개발회로 (open circuit)로 구성하여 제안한 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스를 시험하였다. 그림 5 (a)는 레이아웃이 좋지 않은 전송 선로이고 그림 5 (b)는 특성 임피던스를 고려한 개선 된 전송 선로이다.
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특성 임피던스를 고려한 마이크로스트립 선로 설계 (a) 배치가 좋지 않은 보드 레이아웃 (b) 개선 된 배치와 보드 레이아웃 Fig. 5 Microstrip line design for the characteristic impedance (a) Board layout and placement was not good (b) The improved board layout and placement
Ⅳ. 측정 및 분석
설계한 HSVDS 전송선로의 특성 임피던스 측정은 시간영역반사율(Time Domain Reflectometry)을 이용하여 스텝신호 입력 시, 부하로부터 반사되는 파형을 측정한다. 시간영역반사율은 빠른 상승시간을 갖는 스텝펄스를 전송선로로 보내고 반사파로 되돌아오는 에너지의 양을 측정하여 특성 임피던스 변화를 파형으로 보여주고 전송 경로의 특성 임피던스 값과 특정 지점에서의 임피던스를 분석한다 [13] . 임피던스 편차는 고속신호의 반사에 의한 타이밍 문제와 신호의 감쇠 및 왜곡에 의한 아이 크로징의 원인이 되고 타이밍 여유를 감소시킨다 [14 , 15] . 그림 6 의 시험측정 장비로는 Tektronix社의 DSA8300 (Digital Serial Analyzer)을 사용하였고 실제 설계한 보드에 SMA 커넥터를 사용하여 차동선로의 임피던스를 측정하였다. 그림 6 (a)는 선로의 레이아웃이 좋지 않은 개선 전 보드의 출력파형이고 그림 6 (b)는 선로의 길이가 모두 일정하고 최적의 특성 임피던스 설계 파라미터 기법을 적용한 모의시험 결과이다. 시간영역반사율을 측정한 결과에서 나타나는 특성 임피던스가 그림 6 (a)는 112 Ω ~ 137 Ω 사이로 25 Ω 의 큰 편차를 확인하였고 그림 6 (b)는 107 Ω ~ 112 Ω 사이로 임피던스 편차가 5 Ω 으로 낮게 측정되었다. 그림 3 에서 모의 실험한 특성 임피던스 변화에 따른 아이패턴의 결과에서 임피던스가 증가할수록 신호의 특성이 좋지 않음을 실제 설계한 보드의 시간영역반사율 측정으로 확인하였다.
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TDR을 이용한 마이크로스트립 선로 특성 임피던스 측정 (a) 레이아웃이 좋지 않은 전송라인 (b) 배치가 향상된 보드의 레이아웃 Fig. 6 Characteristic impedance measurement of microstrip line using TDR (a) Layout was not good transmission line (b) The layout with the board where the placement is improved
그림 6 (a)는 기존의 Centronics 커넥터에서 그림 6 (b)의 HDMI 커넥터로 변경하고 비아 홀을 추가하여 전송 케이블의 신뢰성이 확보되어 고속 영상신호 품질과 전송길이가 향상되었다. 그림 7 그림 6 의 고속 영상신호 인터페이스 보드의 개선 전후에 대한 측정한 결과를 나타내었으며 표 2 는 전송선로 레이아웃과 부품의 배치가 개선된 전후의 아이패턴 측정 결과이다. 개선 된 보드의 아이패턴이 상승 시간일 때에 출력의 크기는 672mV, 지터는 6.593ps, 전송 주파수가 1.322GHz, 신호 대 잡음비는 29.62dB로 전송 품질이 개선 전보다 약 10dB 향상 되었다.
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레이아웃과 배치에 따른 아이패턴 측정 (a) 개선 전 보드 (b) 개선 후 보드 Fig. 7 Eye diagrams measurement according to the layout and placement (a) Improvement before board (a) Improvement before board
제안한 보드의 아이패턴 측정 결과Table. 2 Eye diagrams measurement result of proposed board
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제안한 보드의 아이패턴 측정 결과 Table. 2 Eye diagrams measurement result of proposed board
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 고속 MLB 구조에서 발생하는 고주파 잡음을 최소화하고 신호 무결성과 전원 무결성을 개선하면서 EMI 현상을 억제하는 최적의 MLB의 설계방법을 제안 하였다. 고속신호의 왜곡을 제거하기 위하여 전송선로에 대한 고주파 잡음 특성을 분석하고 MLB의 전원층으로부터 유입되는 EMI 특성을 고주파 설계기법으로 회로를 적용하고 시스템을 안정화 시켰다. 모의실험 결과에서 나타난 마이크로스트립 선로와 전원회로는 MLB의 구조를 변경함으로써 신호의 왜곡과 EMI 현상을 감소시키는 설계방법을 제시하였다. 본 논문에서 제안한 최적의 파라미터 값으로 설계한 HSVDS 인터페이스 보드를 측정한 결과, 아이패턴의 출력 크기가 672mV, 지터는 6.593ps, 전송 주파수가 1.322GHz, 신호 대 잡음비는 29.62dB로 전송 품질이 개선 전보다 약 10dB 향상 되었다.
BIO
진종호(Jong-Ho Jin)
2007년 ~ 현재 (주)이비 대표
2012년 ~ 현재 경남대학교 대학원 정보통신공학과 박사과정
※관심분야 : Ultra High Definition, Signal Integrity, Power Integrity
손희배(Hui-Bae Son)
2009년 ~ 현재 : 경남대학교 대학원 정보통신공학과 박사과정
2011년 ~ 현재 : (주)MIK21 책임연구원
※관심분야 : UHD, EMI/ EMC, Video Signal
이영철(Young-Chul Rhee)
1981년 ~ 현재 경남대학교 정보통신공학과 교수
※관심분야 : EMI/ EMC, High-Speed Video Signal, Ultra-HD
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