KR100238447B1 - 백 플레인 커넥터의 핀 할당방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입출력 신호선 수가 많은 백플레인 커넥터에서의 누화잡음을 줄이는 수평/수직방향의 그라운드 핀 할당방법에 관한 것이다. 그 목적은 동일한 수의 그라운드 핀과 이들 핀의 위치를 조정함으로써 누화잡음을 줄이는 백 플레인 커넥터의 핀 할당방법을 제공하는 데에 있다. 그 특징은 동시에 스위칭하는 신호그룹을 입력신호 그룹과 출력신호 그룹으로 나누는 단계와, 상기 입력신호 그룹과 상기 출력신호 그룹을 상하로 나누어 배치하는 단계와, 상기 입력신호 그룹과 상기 출력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하는 단계와, 속성이 다른 입력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하여 배치하는 단계 및 속성이 다른 출력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하여 배치하는 단계로 이루어지는 데에 있다. 그 효과는 그라운드 바운스 문제를 해결하고, 잡음누화를 1/4 이상 감소시키며, 고속 시스템 설계에 필요한 타이밍 마진을 증가시키고, 기능 보드들의 사이의 오류 없는 신호전달을 보장하는 데에 있다.

Description

백 플레인 커넥터의 핀 할당방법

본 발명은 누화잡음을 줄이는 백 플레인 커넥터의 핀 할당방법에 관한 것으로서, 특히 입출력 신호선 수가 많은 백플레인 커넥터에서의 누화잡음을 줄이는 수평/수직방향의 그라운드 핀 할당방법에 관한 것이다.

일반적으로, 현대사회에서는 다양한 속성의 고속 서비스를 요구하고 있으며, 광대역 통신의 출현과 시스템 동작 속도의 극대화 등으로 인하여 시스템 구현시 핀 수가 아주 많은 커넥터들의 요구가 대두되고 있다. 물론, 이러한 대형 시스템을 구현하는 데에는 시스템 핵심기능 보드와 시스템 제어보드 및 많은 입출력 보드(I/O board)등이 있으며, 이들의 유기적인 동작을 위해서 동일 쉘프(함체) 내에서는 백플레인(back-plane)으로 상호 연결이 이루어진다. 또한, 서로 분리된 함체들의 상호 연결을 위해서는 서로의 라인 채널을 연결해야한다. 그러기 위하여 광 케이블(optical cable), 동축 케이블(coaxial cable) 등 여러 가지 방법으로 서로 연결되어 서로간의 입출력 정보를 상호 교환한다. 이를 위하여 적절한 커넥터를 이용한다.

커넥터에 있어서, 고속 성능에 영향을 주는 요인으로는 누화잡음(cross-talk noise)을 야기시키는 상호 인덕턴스(mutual-inductance)와, 신호전달 지연과 EMI(ElectroMagnetic Interference)의 원인이 되는 직렬 인덕턴스가 있다. 이러한 요인은 커넥터의 선정시에 고려해야 할 문제이지만, 일단 조건에 만족하는 커넥터를 선정한 후에는 이 커넥터에서 노이즈 방출을 줄이기 위해서는 될 수 있는 한 많은 그라운드 핀을 사용하여야 하며 각각의 신호선의 가까이에 그라운드 선을 할당해야 한다. 이로 인해서 상호 인덕턴스를 줄일 수 있다. 상호 인덕턴스는 신호의 전달에 대한 전자의 회귀 경로의 길이와 경로가 그리는 면적을 최소화해야 감소하며, 회귀경로의 면적의 증가시 함께 증가하게 되어 잡음누화를 증가시키기 때문이다. 그리고, 노출형(open-type)의 커넥터는, 동작클럭의 주파수가 1MHz 미만인 경우에는 신호-대-그라운드 비율이 10:1로 배치해야 하며, 동작클럭의 주파수가 10MHz인 경우에는 4:1로 배치해야 하며, 동작클럭의 주파수가 30MHz이상인 경우에는 1:1로 배치해야 한다. 또한, 차폐형(shielded-type)의 커넥터는 동작클럭의 주파수가 25MHz 이하인 경우에는 4:1로 배치해야 하며, 동작클럭의 주파수가 50MHz 이상인 경우에는 1:1로 배치해야 한다. 그러므로, 기존의 입출력 신호선과 그라운드의 배치는 도 1과 같이 배치한다.

도 1은 기존의 백 핀 할당법을 도시한 도면이다. 이는 동시에 스위칭하는 신호그룹이 8개의 신호핀인 경우에 대한 예를 보인 것이며, 커넥터 핀의 전체를 도시한 것이 아니라 일부분만을 도시한 것이다. 도 1을 참조하여 기존의 백 핀 할당법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

입력신호 그룹과 출력신호 그룹을 각각 수직방향으로 배열하여 하나의 신호그룹을 형성한다. 이러한 배치가 상하로 반복되므로 일부분에 대해서만 고찰해도 무방하다. 물론, 이 때에 동시에 스위칭하는 신호선의 수가 많을수록 이를 그룹 단위로 분리해야 하며, 각 그룹의 신호전달 지연의 변위가 최소가 되도록 배치해야 한다. 여기서는 교환기의 스위치 보드와 같은 시스템의 핵심기능을 하는 보드와 이와 관련하여 입출력 보드들 사이에는 각 입출력 보드에서의 입출력 신호 버스들의 집중이 일어난다. 그리고, 하나의 입출력 데이터 버스는 고속의 데이터 전달의 구현을 위해 데이터의 병렬화는 불가피하며, 이들 병렬 데이터의 각 비트들이 전달지연 변위가 최소가 되도록 할당하는 것이 중요하다. 이는 보드 서로간에 데이터를 주고받을 때에 고속신호의 타이밍 마진을 증가시키기 위함이다. 일반적인 임피던스 정합 커넥터의 경우, A에서 H까지의 신호선들이 각각의 고유 임피던스 56∼60Ω을 가지도록 정합되었다. 그러므로, 이들 커넥터 핀에 보드들이 물려도 정합된 신호의 트레이스가 연결되어 신호선의 연속성을 보장하므로 반사를 막아준다. 그래서, 각 열방향으로는 신호전달 지연이 거의 동일하다. 그러나, 12번 위치의 핀은 인접된 출력핀들로부터 모두 간섭을 받기 때문에 누화잡음이 가장 크게 일어난다. 실제 모든 신호선들이 50MHz에서 동작시 650 mV까지 발생한다. 그러나, 실상황에서는 전원 노이즈도 존재하며 신호선의 반사파의 영향 등이 함께 존재하므로 1V까지 증가할 수도 있다. 이 때에 신호의 전달시 왜곡된 로직이 전달되어서 어떤 순간에 시스템 오류를 야기시킬 수도 있다는 문제점이 있었다.

그러나, 신호그룹 단위의 전달지연이 최대한 비슷하도록 유지하면서 동일한 수의 그라운드 핀과 이들 핀의 위치를 조정함으로써 이 누화잡음을 1/3까지 줄일 수도 있다. 본 발명에서는 동일한 수의 핀을 가지고 누화잡음을 줄이고 각 신호 핀 사이의 전달지연 차이로 인한 스큐(skew)에 대한 고려를 위해서 신호그룹을 모으고, 또한 동일한 수의 신호 대 그라운드 비를 유지하면서 단순히 신호핀의 위치 할당을 이용하여 잡음 누화를 줄일 수 있게 한 것이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 동일한 수의 그라운드 핀과 이들 핀의 위치를 조정함으로써 누화잡음을 줄이는 백 플레인 커넥터의 핀 할당방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 동시에 스위칭하는 신호그룹을 입력신호 그룹과 출력신호 그룹으로 나누는 단계와, 상기 입력신호 그룹과 상기 출력신호 그룹을 상하로 나누어 배치하는 단계와, 상기 입력신호 그룹과 상기 출력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하는 단계와, 속성이 다른 입력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하여 배치하는 단계 및 속성이 다른 출력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하여 배치하는 단계로 이루어지는 데에 있다.

도 1은 기존의 백 핀 할당법을 도시한 도면.

도 2는 입력신호 그룹과 출력신호 그룹의 수평 분할법을 도시한 도면.

도 3은 입력 및 출력 신호 그룹의 그라운드를 이용한 수평 분할법을 도시한 도면.

도 4는 입력 및 출력 신호 그룹의 분리 및 그라운드 분산방법을 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 한정된 다수의 백플레인의 커넥터 핀 중에서, 시스템의 구현상 백플레인에 연결되는 시스템 핵심기능 보드와 기타 입출력 보드 사이에서의 연결을 제공하되, 이들 각 신호들 사이에 서로의 간섭을 줄이며 신호의 오류 없는 전달성을 보장하기 위해서 각 신호들을 구분 할당하는 배치법에 대해서 제시하고 있다.

앞으로 설명될 실시예들에서는 백플레인으로의 연결시 각 기능 보드들과의 연결을 위해서 특별히 제작된 커넥터를 사용한다. 물론, 시스템의 기능을 제대로 발휘하기 위해서는 상호간에 주고받는 신호의 속도(주파수) 및 로직레벨, 연결 디바이스 등 여러 속성에 따라서 커넥터를 선정해야 한다. 또한, 이에 따라 고속 백플레인의 신호선의 설계, 전력전원의 공급방안 등 고려해야 할 점이 무수히 많으나, 커넥터의 한정된 핀 수의 조건에서 어떻게 신호선을 할당하고 이들 사이에 관련하여 그라운드를 어느 위치에 할당하느냐에 따라 신호 상호간의 간섭을 많이 줄일 수도 있다. 신호선의 수와 그라운드 핀의 수가 각각 같은 조건에서 신호선과 그라운드 핀의 배치에 따라서 신호선의 누화잡음과 그라운드 바운싱(bouncing) 문제를 줄일 수 있는데 초점을 맞추고자 한다.

제 1 실시예

도 2는 입력신호 그룹과 출력신호 그룹의 수평 분할법을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하여 입력신호 그룹과 출력신호 그룹의 수평 분할법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

수직방향으로 하나의 신호그룹을 형성하던 입력그룹과 출력그룹을 좌우 4비트씩 모아서 입력신호 그룹을 상단으로 출력그룹을 하단으로 배치한다. 이 경우에 각 신호그룹의 전달지연 변위를 유지하면서, 비교적 각 행의 위아래로 영향이 적은 점을 이용하여 동시에 스위칭하는 입출력 그룹을 상하로 분할구분한 배치인 것이다. 이 때에 동일한 조건에서, 최고 500mV(22번 핀)에서 390mV(20번 핀)까지의 누화 잡음이 발생한다. 그러므로, 약 20%의 감소효과를 가지고 왔음을 알 수 있다.

제 2 실시예

도 3은 입력 및 출력 신호 그룹의 그라운드를 이용한 수평 분할법을 도시한 도면이다. 도 3을 참조하여 입력 및 출력 신호 그룹의 그라운드를 이용한 수평 분할법을 설명하면 다음과 같다.

제 1 실시예의 수평 분할법에 더 나아가서, 이들 상하의 입/출력 그룹을 그라운드 핀들로 분리함으로써, 동일 조건에서 평균 137mV의 누화잡음 발생으로 감소시켰다. 이는 동일한 신호선의 수와 그라운드의 핀 수를 가지고 핀 배치에 따라서 최고 78%의 감소 효과를 가지고 온 것이다. 이는 동작 주파수와 동시에 스위칭하는 신호수에 대한 조건을 만족할 수 있는 범위 내에서, 입력신호 그룹과 출력신호 그룹을 분리하여 상하의 영역에 각각 할당하고, 이들 그룹 사이를 그라운드(ground)를 이용하여 서로 분리하였다. 따라서, 만족할 수 있는 그라운드 바운스 문제를 해결하였다. 또한, 동일한 수의 신호 대 그라운드 비를 유지하면서 단순히 신호핀의 위치할당을 이용하여 잡음누화를 줄일 수 있게 한 것이다. 여기서, 일반적인 임피던스 정합된 커넥터의 경우(AMP Zpack 2mm), 각 행의 핀들 사이에서는 영향이 작으므로 동시에 스위칭하는 신호그룹들을 나누어 할당을 한다. 특히, 입력신호 그룹과 출력신호 그룹을 분리하여 상하의 영역에 각각 할당함으로써 서로간의 간섭을 적게 받도록 한 것이다. 그리고, 핀의 여유가 있다면 이들 입출력 그룹간의 차단을 위해 그라운드를 다시 할당함으로써, 상호간의 유도 인덕턴스 성분을 줄여 서로간의 누화잡음을 현저히 줄일 수 있다.

제 3 실시예

도 4는 입력 및 출력 신호 그룹의 분리 및 그라운드 분산방법을 도시한 도면이다. 도 4를 참조하여 입력 및 출력 신호 그룹의 분리 및 그라운드 분산방법을 상세히 설명한다.

이는 제 2 실시예처럼 입력신호 그룹과 출력신호 그룹을 그라운드로 분리하고, 동시에 속성이 서로 다른 신호그룹들을 그라운드로 분리하는 것입니다.

동일한 그라운드 수를 가지고서 분산배치함으로써 각 신호의 전달 후에 회귀하는 전자의 루프를 작게 그리도록 하여 더욱 상호 임피던스를 줄이도록 한 것이다. 또한, 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 결과, 앞에서와 동일한 조건에서 최고 220mV∼190mV의 누화잡음이 발생하였다. 그러므로, 본 발명에서 제안된 핀 할당방법이 위의 조건에서는 최적이며, 이를 사용함으로써 동일한 자원의 조건에서 50MHz 이상의 고속 시스템 설계에서는 신호전달의 투명성을 보장하는 방법이 된다.

상술한 바와 같은 본 발명은 그라운드 바운스 문제를 해결하고, 잡음누화를 1/4 이상 감소시키며, 고속 시스템 설계에 필요한 타이밍 마진을 증가시키고, 기능 보드들의 사이의 오류 없는 신호전달을 보장하는 데에 그 효과가 있다.

Claims (3)

1. 동시에 스위칭하는 신호그룹을 입력신호 그룹과 출력신호 그룹으로 나누는 단계; 및

   상기 입력신호 그룹과 상기 출력신호 그룹을 상하로 나누어 배치하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백 플레인 커넥터의 핀 할당방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력신호 그룹과 상기 출력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백 플레인 커넥터의 핀 할당방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   속성이 다른 입력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하여 배치하는 단계; 및

   속성이 다른 출력신호 그룹 사이를 그라운드로 분리하여 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백 플레인 커넥터의 핀 할당방법.

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