먼저 알아둘 용어
공통 모드 초크(common-mode choke)·PHY(Physical Layer) — 공통 모드 초크는 두 도선에 같은 방향으로 흐르는 잡음 성분을 억제하는 데 사용하는 자성 부품입니다. PHY는 물리 신호 송수신을 담당하는 회로입니다. 사용할 부품과 인터페이스(interface) 속도가 배치 검토의 전제입니다.
실드(shield) 접지·시스템 접지 — 실드 접지는 차폐·섀시(chassis) 경계의 도전 영역이고 시스템 접지는 회로의 기준 영역입니다. 두 영역의 연결 여부와 위치는 필요한 절연과 제품 구조에 맞춰 정해야 합니다.
실제 부품의 권고 회로와 동박 금지 영역부터 모읍니다
사용 PHY, 커넥터, 초크와 절연 변압기를 확정합니다. 각 부품의 권고 회로와 밑면 동박 제한, 시스템의 절연 요구를 대조합니다. 초크 아래 양쪽으로 접지 영역을 나누는 개념만으로 모든 자성 부품 밑면을 채우지 않습니다. 실제 부품은 밑면 동박을 피하도록 요구할 수 있습니다.
이 검토는 Ethernet의 해당 구조에 적용합니다. USB(Universal Serial Bus) 등 다른 인터페이스에는 접지·실드와 절연 구조가 다를 수 있으므로 이 배치의 경계를 그대로 적용하지 않습니다.
PHY 쪽 배선과 케이블 쪽 배선을 구분합니다
CPU(Central Processing Unit) 등 제어 회로에서 PHY로 가는 디지털 신호와, PHY에서 자성 부품을 거쳐 RJ45 커넥터로 가는 신호는 같은 배선 규칙을 쓰지 않습니다. RJ45는 이더넷(Ethernet) 케이블에 흔히 사용하는 8접점 커넥터를 가리킵니다. PHY의 디지털 인터페이스에는 해당 방식의 타이밍·길이 차이 조건을 적용합니다. 케이블 쪽 차동 쌍(differential pair)은 두 선의 전압 차로 신호를 전달합니다. 두 선의 선폭·간격과 기판 적층(stack-up)을 조합해 해당 PHY가 요구하는 차동 임피던스(impedance)를 맞춥니다. 임피던스는 신호가 진행할 때의 전압 변화와 전류 변화의 비이며, 배선 형상이 갑자기 바뀌면 신호 일부가 반사될 수 있습니다. 예를 들어 목표가 100 Ω이라면 회로도에 숫자를 적는 것만으로 달성되지 않습니다. 선폭·선간 간격·절연층 두께와 기준면(reference plane)을 함께 정해야 합니다. 기준면은 배선 가까이에 놓인 도전층으로, 배선의 임피던스와 귀환 경로에 영향을 줍니다.
RJ45를 배치할 때는 먼저 케이블 삽입 방향과 외함 개구를 도면에 표시합니다. 커넥터를 기판 가장자리에서 접근할 수 있게 놓고, PHY와 자성 부품의 핀 연결이 멀리 돌아가지 않도록 위치를 정합니다. 케이블을 꽂을 공간만 확보하고 자성 부품에서 RJ45까지의 배선이 길게 우회하면 배치 목적을 잃습니다. 커넥터 고정 구조와 자성 부품 아래 동박 금지 영역도 같은 배치도에 겹쳐 봅니다. 가장자리까지의 거리와 부품 간격은 실제 커넥터·외함 도면으로 정합니다.
클록(clock)은 동작 시점을 정하는 주기 신호입니다. PHY의 크리스털(crystal, 수정 진동자)과 주변 회로는 지정 핀 가까이에 배치하고, 빠르게 변하는 다른 신호와 케이블 쪽 회로에 불필요하게 접근하지 않도록 합니다. 전원 필터와 디커플링(decoupling) 커패시터도 실제 전원 핀과 짧은 귀환 경로를 기준으로 배치합니다. 부품이 가까이 모였는지보다 전류가 도는 경로가 더 중요합니다.
차동 쌍의 기준면은 해당 구간에서 연속적으로 유지하되, 절연 변압기의 동박 금지 영역을 억지로 연결하지 않습니다. 절연 경계와 신호의 기준면 요구가 충돌하는 위치에서는 사용 부품의 권장 배치를 기준으로 구간을 나누어 검토합니다. 자성 부품 밑으로 다른 신호를 통과시키거나 아래층 구리로 경계를 다시 잇지 않았는지 확인합니다.
차동 배선의 비아와 제작 간격을 확인합니다
PHY에서 자성 부품까지와 자성 부품에서 RJ45까지의 배선을 각각 따라가며 불필요한 층 전환, 급한 꺾임, 갑자기 바뀌는 선폭·간격을 찾습니다. 비아(via)는 기판의 다른 층을 잇는 도금 구멍이고, 스텁(stub)은 주 신호 경로에서 갈라져 끝나는 부분입니다. 이런 불연속은 국부 임피던스를 바꿀 수 있으므로 먼저 부품 위치와 핀에서 빠져나오는 배선을 조정해 줄일 수 있는지 봅니다. 층을 바꿔야 한다면 해당 구간의 기준면과 귀환 경로를 확인하되, 자성 부품의 동박 금지 영역이나 절연 경계를 접지 비아로 우회하지 않습니다.
차동 쌍의 간격을 목표 임피던스에만 맞추느라 제작사가 안정적으로 만들 수 있는 범위보다 좁게 잡지는 않았는지 확인합니다. 한곳에 몰린 비아도 실제 가공 가능한 크기와 간격으로 놓였는지 봅니다. 제작사의 적층·완성 선폭·선간 간격·비아 공차를 받아 설계값과 대조하고, 필요하면 부품 배치를 조정한 뒤 임피던스와 절연 금지 영역을 다시 검사합니다. 이 개념도와 배선 규칙 검사만으로 실제 임피던스 또는 EMC 합격을 확인했다고 판단하지 않습니다.
경계의 끝과 연결 위치를 모든 층에서 확인합니다
케이블(cable) 실드부터 외함까지의 경로, 시스템 접지, 절연 경계와 자성 부품 외곽을 구분합니다. 초크 주변에서 각 영역이 어디서 끝나는지 표시하고 아래층 동박이나 비아가 두 영역을 다시 이어 주지 않는지 겹쳐 봅니다.
두 영역 사이에 커패시터(capacitor) 등 연결 부품을 두도록 설계했다면 양 끝 넷(net) 이름과 실제 패드 위치를 적습니다. 부품 값·정격·연결 목적을 실제 회로로 확정하며 어느 부품 단자가 어느 접지 영역에 연결되는지 회로도와 배치도에 명시합니다.
케이블 쪽 공통 모드 종단은 신호 종단과 구분합니다
밥 스미스 종단(Bob Smith termination)은 케이블의 공통 모드 잡음에 저항과 커패시터를 통한 경로를 마련하는 회로입니다. 공통 모드는 한 쌍의 두 선이 기준 전위에 대해 함께 움직이는 전압 성분입니다. 두 선의 차이로 전달하는 데이터 신호와 구분합니다.
비 PoE 10/100 Ethernet의 한 구성에서는 절연 변압기의 케이블 쪽 센터 탭(center tap, 권선 중간 단자)과 미사용 쌍을 각각 저항에 연결하고, 저항들의 공통점을 커패시터를 통해 섀시에 연결합니다. 75 Ω 저항과 1 nF 커패시터를 쓰는 예시가 있지만, 이는 차동 신호선 사이에 75 Ω을 직접 연결하라는 뜻이 아닙니다. nF는 나노패럿으로, 1 nF는 1,000 pF입니다.
PoE(Power over Ethernet)는 Ethernet 케이블로 전력도 공급하는 방식입니다. 서로 다른 쌍의 직류 전위가 다를 수 있으므로 비 PoE 회로의 저항 공통점을 그대로 연결하면 원하지 않는 전류가 흐를 수 있습니다. 해당 전력 방식과 자성 부품에 맞춰 직류를 차단하는 커패시터 등 종단 구성을 확인합니다. 통신 속도가 달라져 모든 쌍을 데이터에 쓰는 경우에도 미사용 쌍이라는 가정을 그대로 적용하지 않습니다.
부품값을 정한 뒤에는 커넥터·자성 부품 가까이에서 종단과 섀시까지의 경로를 짧게 만들고, 커패시터의 내압과 과도 전압 조건을 확인합니다. ESD(Electrostatic Discharge)는 정전기 방전, 서지(surge)는 순간적으로 커지는 전압·전류 과도 현상입니다. 정전용량만 맞는 부품으로 교체하거나 섀시 접지를 편의상 시스템 접지로 바꾸면 잡음 경로와 절연 조건이 함께 바뀝니다.
연결 옵션과 절연·통신 요구를 함께 확인합니다
연결 부품의 실장·미실장 옵션이 회로도·부품표·배치도에서 일치하는지 확인합니다. 간섭을 줄이려는 연결이 필요한 절연을 우회하지 않는지 검토합니다. 임의의 0 Ω이나 용량을 모든 포트(port)의 공통 처방으로 적용하지 않습니다.
같은 케이블·외함·동작 상태에서 통신 성능과 해당 EMC(Electromagnetic Compatibility) 시험을 비교합니다. 방출이 줄어도 링크 오류나 내성 문제가 생기면 성공한 변경이 아닙니다. 확정한 동박 경계와 연결 부품, 선택한 옵션을 검사 결과와 함께 보관합니다.