본 논문에서는 유럽에서 사용되는 이동형 디지털 방송인 DVB-T/H 신호를 수신 및 신호처리 가능한 DVB-T/H SiP를 제작하였다. DVB-T/H SiP는 칩이 PCB 내부에 삽입될 수 있는 IC-임베디드 PCB 공정을 적용하여 설계되었다. DVB-T/H SiP에 삽입된 DVB-T/H IC는 신호를 수신하는 RF 칩과 어플리케이션 프로세서에서 활용할 수 있도록 수신된 신호를 변환하는 디지털 칩 2개를 원칩화한 모바일 TV용 SoC 이다. SiP 에는 DVB-T/H IC를 동작하기 위해 클럭소스로써 38.4MHz의 크리스탈을 이용하고, 전원공급을 위해 3MHz로 동작하는 DC-DC Converter와 LDO를 사용하였다. 제작된 DVB-T/H SiP는 $8mm{\times}8mm$ 의 4 Layer로 구성되었으며, IC-임베디드 PCB 기술을 사용하여 DVB-T/H IC는 2층과 3층에 배치시켰다. 시뮬레이션 결과 Ground Plane과 비아의 확보로 RF 신호선의 감도가 개선되었으며 SiP로 제작하는 경우에 Power 전달선에 존재하는 캐패시터와 인덕터의 조정이 필수적임을 확인하였다. 제작된 DVB-T/H SiP의 전력 소모는 평균 297mW이며 전력 효율은 87%로써 기존 모듈과 동등한 수준으로 구현되었고, 크기는 기존 모듈과 비교하여 70% 이상 감소하였다. 그러나 기존 모듈 대비평균 3.8dB의 수신 감도 하락이 나타났다. 이는 SiP에 존재하는 DC-DC Converter의 노이즈로 인한 2.8dB의 신호 감도 저하에 기인한 것이다.
본 논문에서는 유럽에서 사용되는 이동형 디지털 방송인 DVB-T/H 신호를 수신 및 신호처리 가능한 DVB-T/H SiP를 제작하였다. DVB-T/H SiP는 칩이 PCB 내부에 삽입될 수 있는 IC-임베디드 PCB 공정을 적용하여 설계되었다. DVB-T/H SiP에 삽입된 DVB-T/H IC는 신호를 수신하는 RF 칩과 어플리케이션 프로세서에서 활용할 수 있도록 수신된 신호를 변환하는 디지털 칩 2개를 원칩화한 모바일 TV용 SoC 이다. SiP 에는 DVB-T/H IC를 동작하기 위해 클럭소스로써 38.4MHz의 크리스탈을 이용하고, 전원공급을 위해 3MHz로 동작하는 DC-DC Converter와 LDO를 사용하였다. 제작된 DVB-T/H SiP는 $8mm{\times}8mm$ 의 4 Layer로 구성되었으며, IC-임베디드 PCB 기술을 사용하여 DVB-T/H IC는 2층과 3층에 배치시켰다. 시뮬레이션 결과 Ground Plane과 비아의 확보로 RF 신호선의 감도가 개선되었으며 SiP로 제작하는 경우에 Power 전달선에 존재하는 캐패시터와 인덕터의 조정이 필수적임을 확인하였다. 제작된 DVB-T/H SiP의 전력 소모는 평균 297mW이며 전력 효율은 87%로써 기존 모듈과 동등한 수준으로 구현되었고, 크기는 기존 모듈과 비교하여 70% 이상 감소하였다. 그러나 기존 모듈 대비평균 3.8dB의 수신 감도 하락이 나타났다. 이는 SiP에 존재하는 DC-DC Converter의 노이즈로 인한 2.8dB의 신호 감도 저하에 기인한 것이다.
This paper reports the fabrication of a DVB-T/H System in Package (SiP) that is able to receive and process the DVB-T/H signal. The DVB-T/H is the European telecommunication standard for Digital Video Broadcasting (DVB). An IC-embedded Printed Circuit Board (PCB) process, interpose a chip between PC...
This paper reports the fabrication of a DVB-T/H System in Package (SiP) that is able to receive and process the DVB-T/H signal. The DVB-T/H is the European telecommunication standard for Digital Video Broadcasting (DVB). An IC-embedded Printed Circuit Board (PCB) process, interpose a chip between PCB layers, has applied to the DVB-T/H SiP. The chip inserted in DVB-T/H SiP is the System on Chip (SoC) for mobile TV. It is comprised of a RF block for DVB-T/H RF signal and a digital block to convert received signal to digital signal for an application processor. To operate the DVB-T/H IC, a 3MHz DC-DC converter and LDO are on the DVB-T/H SiP. And a 38.4MHz crystal is used as a clock source. The fabricated DVB-T/H SiP form 4 layers which size is $8mm{\times}8mm$. The DVB-T/H IC is located between 2nd and 3rd layer. According to the result of simulation, the RF signal sensitivity is improved since the layout modification of the ground plane and via. And we confirmed the adjustment of LC value on power transmission is necessary to turn down the noise level in a SiP. Although the size of a DVB-T/H SiP is decreased over 70% than reference module, the power consumption and efficiency is on a par with reference module. The average power consumption is 297mW and the efficiency is 87%. But, the RF signal sensitivity is declined by average 3.8dB. This is caused by the decrease of the RF signal sensitivity which is 2.8dB, because of the noise from the DC-DC converter.
This paper reports the fabrication of a DVB-T/H System in Package (SiP) that is able to receive and process the DVB-T/H signal. The DVB-T/H is the European telecommunication standard for Digital Video Broadcasting (DVB). An IC-embedded Printed Circuit Board (PCB) process, interpose a chip between PCB layers, has applied to the DVB-T/H SiP. The chip inserted in DVB-T/H SiP is the System on Chip (SoC) for mobile TV. It is comprised of a RF block for DVB-T/H RF signal and a digital block to convert received signal to digital signal for an application processor. To operate the DVB-T/H IC, a 3MHz DC-DC converter and LDO are on the DVB-T/H SiP. And a 38.4MHz crystal is used as a clock source. The fabricated DVB-T/H SiP form 4 layers which size is $8mm{\times}8mm$. The DVB-T/H IC is located between 2nd and 3rd layer. According to the result of simulation, the RF signal sensitivity is improved since the layout modification of the ground plane and via. And we confirmed the adjustment of LC value on power transmission is necessary to turn down the noise level in a SiP. Although the size of a DVB-T/H SiP is decreased over 70% than reference module, the power consumption and efficiency is on a par with reference module. The average power consumption is 297mW and the efficiency is 87%. But, the RF signal sensitivity is declined by average 3.8dB. This is caused by the decrease of the RF signal sensitivity which is 2.8dB, because of the noise from the DC-DC converter.
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문제 정의
본 논문에서는 IC-임베디드 PCB 공정을 이용한 DVB-T/H SiP를 설계하고, SiP의 성공적인 동작을 보장하기 위한 IC-임베디드 PCB의 구조적 특수성을 고려한 설계 방법을 제시하였다. DVB-T/H SiP는 VHF, UHF, L-Band 대역의 신호를 수신하는 DVB-T/H IC 를 비롯하여 3&4MHz의 크리스탈과 3MHz로 동작하는 1.
제안 방법
첫 번째는 처음에 설계된 회로도 대로 회로를 구성하는 것이고, 두 번째와 세 번째는 각각 일반 PCB 보드위에 구성된 경우와 IC-임베디드 PCB 공정을 이용해 제작되는 SiP에 Power 전달선이 구성된 경우이다. B啊d와 SiP의 경우에는 Line, Plane, Via의 요소에 대한 모델링이 필요한데, Line 과 Plane 은 Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) 방식으로 다수의 Cell로 구성되었으며 비아의경우에는 시뮬레이션의 신뢰성을 높이기 위하여 Ansoft Q3D 프로그램을 통하여 특성을 분석하였다间
DC-DC Gonverter에서 IC에 이르는 Power 전달 선에 는 3MH肠로 동작하는 DC-DC Converter에서 발생한 해당 주파수를 가진 리플 전압을 최소화 시키기 위해 인덕터와 캐패시터로 이루어진 LC 필터가 존재한다. DVB-T/H SiP에 존재하는 LC 필터는 상대적으로 기존에 보드 상에서 구현되었던 LC 필터와 비교하여 Power 전달선의 길이와 형태에 따라 Parasitic Inductance와 Capacitance의 변화로 인해 필터의 성능에 변화가 생긴다’ 그림 9는 구현된 방식에 따른 Power 전달선의 주파수 특성에 대한 시뮬레이션을 하기 위한 모델링 구성을 보여준디' 시뮬레이션은 3가지 경우의 설계 사례를 바탕으로 이루어졌다. 첫 번째는 처음에 설계된 회로도 대로 회로를 구성하는 것이고, 두 번째와 세 번째는 각각 일반 PCB 보드위에 구성된 경우와 IC-임베디드 PCB 공정을 이용해 제작되는 SiP에 Power 전달선이 구성된 경우이다.
SiP는 칩을 PCB 사이에 내장할 수 있는 IC-임베디드 PCB 공정을 이용함으로써 기존에 PCB 보드나 일반적인 SiP로 존재하던 모듈의 크기를 획기적으로 줄일 수 있었다. IC-임베디드 PCB의 구조적 특성을 고려한 SiP의 효율적인 설계 방법을 제안하고 이에 따른 능동소자의 특성에 따른 배치 방법을 제시하였다. 또한, RF 신호선과 Power 전달선에 대한 시뮬레이션을 통해 IC-임베디드 PCB 공정을 이용한 SiP 설계에서 발생하는 문제를 분석하였다.
Top Layer의 라우팅은 DC-DC Converter와 LDO, 크리스탈과 같은 능동소자들의 배치를 고려하여 이루어져야 하는데, 이는 특히 IC-임베디드 PCB 공정의 구조적 특징으로 다층이지만 엇갈린 신호선이 서로 다른 층으로 교차되는 장점을 가지지 못하는 특성을 고려하여 설계의 주의를 요구하게 된다. Power와 Ground 는 Plane 형태로 설계가 되었는데, Bottom Layer의 RF Line들을 위해 세 번째 층은 Ground Plane으로 구성하고, 두 번째 층은 Power Plane으로 구성하여 Power가 다양한 위치에서 안정적으로 공급될 수 있도록 설계 하였다. 특히 Power Integrity와 Grotmd 공진을 고려하였을 때, Plane의 형태가 주요 이슈로 존재하는데, 서로 다른 Layer를 연결해주는 역할을 하는 비아의 존재가 Plane 형태의 Power/Ground의 모양을 바꾸어주게 되는 상황에서 비아의 위치는 상당히 중요하다.
그림 6의 (a)는 Top Layer의 Layout 인데, DC-DC Converter, LDO, 크리 스탈 등이 DVB-T/H IC의 아날로그, 디지털 구조가 고려되어 배치되었고, 수동소자들의 배치 역시 Top Layer에서의 라우팅에서 엇갈리는 신호선이 없도록 하였다. 또한 그 외 부분은 신호의 안정성을 위해 Ground Plane으로 처리하였다. 그림 6의 (b)와 (c) 는 각각 Power와 Ground가 Plane 형태로 설계되었음을 보여준다.
IC-임베디드 PCB의 구조적 특성을 고려한 SiP의 효율적인 설계 방법을 제안하고 이에 따른 능동소자의 특성에 따른 배치 방법을 제시하였다. 또한, RF 신호선과 Power 전달선에 대한 시뮬레이션을 통해 IC-임베디드 PCB 공정을 이용한 SiP 설계에서 발생하는 문제를 분석하였다. 제작된 모듈은 기존 모듈 대비 3.
8V DC-DC Converter와 LDO, 수동소자들로 구성되어 있다. 모듈 동작의 안정성을 위해 RF 신호선의 경우에 Return Current Path를 고려한 설계를 적용하였고, Power 전달선의 경우에는 모듈의 회로도 자체와 PCB 보드, SiP 등으로 구현된 3가지 경우를 상정하여 시뮬레이션을 통한 효과를 분석하고 개선 방법을 제안하였다.
설계 방법에서는 크게 분석, 설계, 검증 순서로 분류되어 이루어지게 되는데 세부적인 사항으로는 먼저 모듈에 대한 물리적 구조에 대한 분석이 필요함을 알 수 있다. 모듈 제작에 필요한 공정에 대한 분석을 통해 사용될 재료와 크기, 두께 등의 수치를 고려하여 향후 모듈 동작에 미칠 영향을 먼저 분석하고, 또한 신호선 사이의 간격이나 비아의 크기 등을 고려한 설계 룰을 확정함으로써 설계에 적용 할 수 있도록 한다. 그리고 SiP의 동작에 있어서 IC를 비롯한 모듈에 삽입되는 능동 및 수동소자들의 특성을 파악하는 것은 중요하다.
그림 6의 (d)는 Bottom Layer의 Layout이다. 신호선의 Return Current Path를 보장하기 위해 Ground 영역의 확장을 고려하였다.
이동형 디지털 방송의 수신 및 신호 처리를 위한 DVB-T/H IC와 IC의 동작을 위한 DC-DC Converter, LDO, 크리스탈과 수동소자들을 포함하는 SiP를 설계하였다. SiP는 칩을 PCB 사이에 내장할 수 있는 IC-임베디드 PCB 공정을 이용함으로써 기존에 PCB 보드나 일반적인 SiP로 존재하던 모듈의 크기를 획기적으로 줄일 수 있었다.
대상 데이터
SiP의크기는 8mm X 8mm 이며, 모듈의 성능에 대한 테스트는 신호의 수신 감도와 전력 소모 측면에서 이루어졌다. 그림 12는 DVB-T/H SiP의 수신감도에 대한 결과이다.
성능/효과
그림 12는 DVB-T/H SiP의 수신감도에 대한 결과이다. 5개의 테스트 SiP는 평균적으로 기존에 생산되는 DVB-T/H IC가 Top Layer에 존재하는 SiP 모듈과 비교하여 약 3.8dB의 수신감도 저하가 나타났음을 확인할 수 있다. 하지만, 이는 SiP에 존재하는 DC-DC Gonverter의 노이즈 발생으로 인한 성능 열화이다.
SiP는 칩을 PCB 사이에 내장할 수 있는 IC-임베디드 PCB 공정을 이용함으로써 기존에 PCB 보드나 일반적인 SiP로 존재하던 모듈의 크기를 획기적으로 줄일 수 있었다. IC-임베디드 PCB의 구조적 특성을 고려한 SiP의 효율적인 설계 방법을 제안하고 이에 따른 능동소자의 특성에 따른 배치 방법을 제시하였다.
따라서 DC-DC Converter의 노이즈가 SiP의 수신감도에 영향을 미치는 사실을 알 수 있었다. 결국 그림 10에서 나타난 SiP 에서의 Power 전달선에 존재하는 Parasitic Inductance 와 Capacitance의 변화가 전달선상에 존재하는 LC 필터 특성을 변화 시켜서 DC-DC Converter에서 생성된 노이즈를 효과적으로 감소시키지 못하고, 그것이 모듈의 수신 감도 감쇠에 대한 영향을 준다는 사실이 확인되었다.
따라서 DC-DC Converter의 노이즈가 SiP의 수신감도에 영향을 미치는 사실을 알 수 있었다. 결국 그림 10에서 나타난 SiP에서의 Power 전달선에 존재하는 Parasitic Inductance와 Capacitamce의 변화가 전달선상에 존재하는 LC 필터 특성을 변화 시켜서 DC-DC Converter에서 생성된 노이즈를 효과적으로 감소시키지 못하고, 그것이 모듈의 수신 감도 감쇠에 대한 영향을 준다는 사실이 확인되었다.
8dB가 개선되는 것을 알 수 있다. 따라서 DC-DC Converter의 노이즈가 SiP의 수신감도에 영향을 미치는 사실을 알 수 있었다. 결국 그림 10에서 나타난 SiP 에서의 Power 전달선에 존재하는 Parasitic Inductance 와 Capacitance의 변화가 전달선상에 존재하는 LC 필터 특성을 변화 시켜서 DC-DC Converter에서 생성된 노이즈를 효과적으로 감소시키지 못하고, 그것이 모듈의 수신 감도 감쇠에 대한 영향을 준다는 사실이 확인되었다.
8dB 의 성능저하가 발생하였고, 이는 DC-DC Gonverter의 노이즈에 기인한 성능 열화임을 확인하였다. 또한 평균 297mW의 전력 소모가 측정되었으며 효율은 87%로 이는 기존 모듈 대비 동등 수준이다. 향후 수신감도의 향상을 위해서는 DC-DC Converter의 노이즈 영향을 줄여야 하며, 이를 위한 방법으로써 IC-임베디드 PCB 공정을 이용한 SiP 설계시 Power 전달선의 LC 필터 성능 개선을 위한 수동소자들의 최적화 작업이 필수적임을 확인하였다.
신호선의 신호 전달성을 향상시키기 위하여 Return Current Path 를 고려한 Ground의 영역을 확장 시키고 Ground Via Wall 구성을 추가하였다⑹ 그림 8은 DVB-T/H SiP에 3개의 RF 신호선에 대한 주파수 특성에 대해 시뮬레이션 한 결과이다. 수정 전과 후를 비교하였을 때 RF 신호선의 신호 전달성이 향상되는 것을 확인하였다. VHF 신호선의 경우에는 해당 대역에서 약 Q5dB의 개선 효과가 있으며, IMF 신호선의 경우에는 1.
제작된 SiP는 평균적으로 80mA의 전류를 소모함으로써 297mW의 전력을 소모하는 것으로 나타났다. 또한 표 2는 DVB-T/H SiP의 전력 효율을 측정한 결과이다.
또한, RF 신호선과 Power 전달선에 대한 시뮬레이션을 통해 IC-임베디드 PCB 공정을 이용한 SiP 설계에서 발생하는 문제를 분석하였다. 제작된 모듈은 기존 모듈 대비 3.8dB 의 성능저하가 발생하였고, 이는 DC-DC Gonverter의 노이즈에 기인한 성능 열화임을 확인하였다. 또한 평균 297mW의 전력 소모가 측정되었으며 효율은 87%로 이는 기존 모듈 대비 동등 수준이다.
그림 13은 SiP에서의 DC-DC Convertere 존재 유무에 따른 수신 감도의 변화를 보여준다. 측정 결과에 따르면 DC-DC Gonverter를 제거함으로써 수신 감도는 평균 2.8dB가 개선되는 것을 알 수 있다. 따라서 DC-DC Converter의 노이즈가 SiP의 수신감도에 영향을 미치는 사실을 알 수 있었다.
후속연구
또한 평균 297mW의 전력 소모가 측정되었으며 효율은 87%로 이는 기존 모듈 대비 동등 수준이다. 향후 수신감도의 향상을 위해서는 DC-DC Converter의 노이즈 영향을 줄여야 하며, 이를 위한 방법으로써 IC-임베디드 PCB 공정을 이용한 SiP 설계시 Power 전달선의 LC 필터 성능 개선을 위한 수동소자들의 최적화 작업이 필수적임을 확인하였다.
이런 변화는 DC-DC Converter로부터 발생되는전원 노이즈의 감쇠가 이루어지지 않아 RF 신호 감도에 영향을 줄 수 있다®. 향후 이를 해결하기 위해서 LC 필터를 구성하는 수동소자들의 값을 조절할 필요가 있다.
향후 제작되는 DVB-T/H SiP의 안정적인 동작을 보장하기 위해서는 RF 신호선과 Power 전달선의 특성을 분석할 필요가 있다. 그림 7은 DVB-T/H SiP에 존재하는 3개의 RF 신호선에 대해 설계 단계에서 분석을 통해 수정한 것을 보여준다.
참고문헌 (8)
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