Signal Transmission Properties Improvement of Serial Advanced Technology Attachment Connector Using Analysis of Differential Impedance

논문 2013-50-2-6

차동 임피던스 분석을 사용한 SATA 커넥터의 신호 전달 특성 개선

( Signal Transmission Properties Improvement of Serial Advanced Technology Attachment Connector Using Analysis of Differential

Impedance )

양 정 규^*, 김 문 정^***

( Jeong-Kyu Yang and Moonjung Kim )

요 약

본 논문에서는 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 커넥터의 차동 임피던스 계산 방법을 적용하여 설계　변 경 방법을 제안하고 신호 전달 특성을 개선하였다. 3차원 FEM(Finite Elements Method) 전자기장(Electromagnetic Field) 시 뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 차동 모드 S-파라미터를 계산하고, 신호 전달 특성을 분석한다. 차동 임피던스는 Odd mode 임피던스를 이용하여 계산되므로 인덕턴스, 커패시턴스, 상호 인덕턴스, 상호 커패시턴스 값이 필요하다. 따라서 시뮬레 이터를 이용하여 SATA 커넥터의 각각의 값을 추출하여 차동 임피던스를 계산하였고, 이 값은 107.3 Ω 으로 설계 사양을 만 족하지 못하였다. 신호 전달 특성 개선을 위해서 SATA 커넥터의 핀을 dx, dy 방향으로 설계 변경하고, 각 경우의 신호 전달 특성과 차동 임피던스를 분석하였다. dy = 0.1 mm 의 경우에서 신호 전달 특성이 가장 우수하게 나타났고, 차동 임피던스가 98.7 Ω 으로 정합되었다. 이때, 반사손실은 1.5 GHz 에서 15 dB 개선되었다.

Abstract

In this work, signal transmission properties of SATA connector have been improved using its differential impedance calculation and its design revision to closer impedance matching. Using 3 dimensional electromagnetic field simulator, the differential mode S-parameter was calculated to investigate its signal fidelity. The differential impedance is calculated from the equation of the odd mode impedance with inductance, capacitance, mutual inductance, and mutual capacitance. The differential impedance of SATA connector was calculated to be 107. 3 Ω and did not meet the design specification with 100 Ω ± 5 %. In order to achieve its impedance range and improve its signal transmission properties, SATA connector's design has been revised with two different directions and analyzed through the calculation of differential impedance, differential reflection loss, and differential insertion loss.

Keywords: SATA Connector, Impedance Matching, Differential Impedance, S-parameter, Differential Mode

* 정회원, 타이스일렉 (Taiselec)

** 평생회원, 공주대학교 전기전자제어공학부

(Division of Electrical Electronics and Control Engineering, Kongju National University)

※ 본 논문은 2012년도 교육과학기술부의 재원으로 과 학벨트기능지구지원사업의 지원을 받아 수행된 연 구임(2012K001564)

접수일자: 2012년9월3일, 수정완료일: 2013년1월20일

Ⅰ. 서 론

전자기기 사용자는 응용제품들이 더 빠르고 정확하 게 동작하기를 원한다. 이러한 요구를 만족하게 하기 위해서 다양한 기술을 개발 및 적용하고 있다. 이 중에 서도 차동 모드 신호 전달 방법은 속도를 획기적으로 증가시킬 수 있으며, 전달되는 신호의 왜곡을 최소화한

다. SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 는 하드 디스크 혹은 광학 드라이브의 데이터 전송을 주요 목적으로 만든 차동 모드 신호 전달 표준의 하나 이다^[1]. LVDS(Low Voltage Differential Signaling) 방 식을 사용하여 고속으로 신호를 전달하고, 클럭(Clock) 신호선이 따로 필요하지 않다. SATA를 이용해 신호를 전달하기 위해서는 PCB의 선로(Trace) 외에도 SATA 커넥터, 케이블과 같은 신호 전달 경로가 필요하다. 커 넥터는 케이블과 PCB 사이에서 신호 전달을 목적으로 사용되는 연결소자로 송신단에서 수신단으로 전달되는 신호의 왜곡을 최소화해야 한다. SATA 커넥터의 신호 전달 특성을 높이기 위해서는 차동 임피던스를 정합하 여 반사손실 및 삽입손실을 최소화해야 한다. 이와 관 련된 임피던스 정합에 따른 전송 선로(Transmission Line)의 신호 무결성 개선 효과^[2∼5], 전송 선로의 차동 임피던스 분석 및 정합^[6∼8] 등의 연구들이 진행되었지 만, SATA 커넥터의 신호 전달 특성 분석 방법과 차동 임피던스 분석 및 정합에 대한 절차를 명확하게 제시하 지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 SATA 커넥터 의 신호 전달 특성 분석, 차동 임피던스 계산 및 분석 방법 등의 일련의 과정을 설명하고, 차동 임피던스를 정합하기 위한 커넥터 설계 변경 방법을 제안한다. 또 한, 이를 통해 신호 전달 특성이 개선된 결과를 제시한다.

Ⅱ. 본 론

1. SATA 커넥터의 신호 전달 특성 분석 방법 차동 모드로 동작하는 SATA 커넥터의 신호 전달 특 성을 분석하기 위해서는 차동 모드 S-파라미터를 이용 하고, 단일 모드에서 적용하는 특성 임피던스^[9]가 아닌 차동 임피던스를 계산하여 적용해야 한다. 차동 임피던 스를 계산하기 위해서는 먼저 odd mode 임피던스를 계 산해야 한다. Odd mode는 두 전송 선로에 180° 위상 차이를 가지는 같은 크기의 전압이 인가되었을 때를 의 미한다. 이때 전기장은 서로 결합하므로 커패시턴스와 상호 커패시턴스는 합쳐지고, 자기장은 서로 상쇄되므 로 인덕턴스와 상호 인덕턴스는 차감된다. 따라서 odd mode 임피던스는 식 1과 같이 계산된다^[10].

_



__

(1)

그림 1. SATA 커넥터의 신호 전달 분석 과정 Fig. 1. Analysis procedure of SATA connector signal

transmission.

여기서 L11은 셀프 인덕턴스, L12는 상호 인덕턴스, C11

은 셀프 커패시턴스, C12는 상호 커패시턴스를 나타낸 다. 차동 임피던스는 odd mode 임피던스의 두 배이고, 식 1을 적용하면 차동 임피던스는 식 2와 같다^[11].

__×  



__

×  (2)

차동 모드로 동작하는 SATA 커넥터의 신호 전달 특 성 분석과 차동 임피던스 분석은 그림 1과 같은 순서에 따라서 이루어진다. 첫 번째로 설계된 3차원 SATA 커 넥터 모델을 이용하여 FEM(Finite Elements Method) 전자기장(Electromagnetic Field) 시뮬레이션을 수행한 다. 본 논문의 시뮬레이션 과정에서는 ANSYS HFSS를 사용하였다. 두 번째로 계산된 S-파라미터를 차동 모드 S-파라미터로 변환한다. 계산된 차동 모드 S-파라미터 의 반사손실(Sdd11)과 삽입손실(Sdd21)이 설계 사양을 만 족하는지 아닌지를 비교 분석하여 SATA 커넥터의 신 호 전달 특성을 분석한다. 세 번째로 3차원 SATA 커 넥터 모델을 시뮬레이션 하여 인덕턴스(L), 커패시턴스 (C), 상호 인덕턴스(Lm), 상호 커패시턴스(Cm)를 추출한 다. 본 논문에서의 시뮬레이션은 ANSYS Q3D Extractor를 이용하였다. 네 번째로 계산된 차동 임피던

(a) SATA 커넥터 구조

(b) SATA 커넥터의 3차원 모델 그림 2. SATA 커넥터의 구조 및 3차원 모델 Fig. 2. Structure (a) and 3-dimensional model (b) of

SATA connector.

스가 설계 사양(100 Ω ± 5 %)을 만족하는지 확인한다.

만약 설계 사양을 만족하지 못할 때 L, C, Lm, Cm를 조 절되도록 설계 변경하여 차동 임피던스를 정합하고, 설 계 사양을 만족할 때 분석을 종료한다.

2. SATA 커넥터의 해석

가. SATA 커넥터의 구조

분석에 사용된 SATA 커넥터의 구조는 그림 2 (a)와 같다. 이 커넥터는 SATA 커넥터, 전원단이 결합된 형 태이다. 그림 2 (b)는 SATA 커넥터 3차원 모델을 보 여주고, 커넥터의 몸체(Housing)와 핀의 배치를 보여준 다. 커넥터 핀 소재는 베릴륨구리(BeCu)이고, 커넥터 몸체 소재로 폴리이미드(PA9T)를 사용하였다. SATA 커넥터 핀은 G, S, S, G, S, S, G로 구성되고, 여기서 S 는 Signal 핀을 G는 Ground 핀을 의미한다. 또한, SATA 커넥터 신호 핀의 피치(Pitch)는 1.27 mm, 길이 는 7.94 mm, 좌우 폭은 0.3 mm 이다.

나. SATA 커넥터의 신호 전달 특성 분석

커넥터의 신호 전달 특성을 분석하기 위하여 3차원 FEM 전자기장 시뮬레이터를 이용하여 차동 모드 S-파

그림 3. 3차원 구조체의 전자기장 시뮬레이션 흐름도 Fig. 3. Electromagnetic field simulation flow chart of

3-dimensional structure.

(a) 반사손실(Sdd11)

(b) 삽입손실(Sdd21)

그림 4. SATA 커넥터의 반사손실 및 삽입손실 Fig. 4. Differential reflection loss (a) and differential

insertion loss (b) of SATA connector.

라미터를 계산한다. 3차원 FEM 전자기장 시뮬레이션 흐름도는 그림 3과 같다. 첫 번째로 설계된 SATA 커 넥터의 3차원 모델을 불러오고 시뮬레이션에 적합하게 모델을 수정한다. 두 번째로 커넥터의 몸체와 커넥터 핀에 폴리이미드, 베릴륨구리를 각각 설정하고, SATA 커넥터 핀에 포트(Port) 설정을 한다. 세 번째로 커넥터 의 사용 조건과 같게 경계 조건(Boundary Condition)과 시뮬레이션 조건을 설정한다. 계산을 실행하면 커넥터 3 차원 모델의 최적의 메쉬(Mesh)를 시뮬레이터가 찾아내 고, Delta S의 오차가 2 % 이하일 때 시뮬레이션을 종료 한다.

그림 4는 계산된 SATA 커넥터의 신호 전달 특성을 보여준다. 반사손실(Sdd11)은 그림 4(a)에 나타나고, 5 GHz까지 20 dB 이하를 보여준다. 삽입손실(Sdd21)은 그 림 4 (b)에 나타나고, 전체적으로 약 0.1 dB 이하를 보 여준다.

다. SATA 커넥터의 차동 임피던스 분석

SATA 커넥터의 차동 임피던스를 분석하여 설계 사 양 만족여부를 확인하고, 신호 전달 특성의 개선 가

변수

dx

0 mm

(기존 커넥터) 0.02 mm 0.04 mm 0.06 mm C11 (fF) 471.31 495.45 519.53 568.67 C12 (fF) 175.99 187.67 199.27 222.04 L11 (nH) 3.07 2.90 2.90 2.85 L12 (nH) 1.20 1.10 1.12 1.12 Zcm (Ω) 60.1 57.0 56.1 53.5

Zdiff (Ω) 107.3 102.7 99.5 93.6

표 1. SATA 커넥터의 차동 임피던스

Table 1. Differential impedance of SATA connector.

(a) dx 변경에 따른 차동 임피던스 변화

변수

dy

0 mm

(기존 커넥터) 0.05 mm 0.1 mm C11 (fF) 471.31 486.98 507.65 C12 (fF) 175.99 183.66 193.03

L11 (nH) 3.07 2.88 2.81

L12 (nH) 1.20 1.11 1.10 Zcm (Ω) 60.1 57.3 55.7

Zdiff (Ω) 107.3 102.8 98.7

(b) dy 변경에 따른 차동 임피던스 변화

능성을 확인한다. 시뮬레이터를 이용하여 인덕턴스, 커 패시턴스, 상호 인덕턴스, 상호 커패시턴스를 추출하고 식 2 에 대입하여 SATA 커넥터의 차동 임피던스를 계 산한다. 차동 임피던스는 표 1의 기존 커넥터 부분에 나타나 있다. 계산된 차동임피던스는 107.3 Ω 으로 설 계 사양(100 Ω ± 5% : 95 Ω ∼ 105 Ω)을 만족하지 못 한다. 따라서 SATA 커넥터를 설계 변경하여 차동 임 피던스를 최적으로 정합시키고, 신호 전달 특성을 개선 해야 한다.

3. SATA 커넥터의 설계 변경

SATA 커넥터의 차동 임피던스를 정합하고, 신호 전 달 특성을 개선하기 위해서 커넥터 핀을 그림 5와 같이 dx, dy 방향으로 확장하여 설계 변경한다. SATA 커넥 터는 전기적 특성 향상뿐만 아니라 기계적 특성 확보도 중요한 설계항목 중 하나이다. 기계적 가공성 및 강도

(a) dx 방향 설계 변경

(b) dy 방향 설계 변경 그림 5. dx 방향 및 dy 방향 설계 변경 방법 Fig. 5. Revised connector design of dx direction

(a) and dy direction (b).

확보가 불가한 영역에서 전기적 특성 확보를 위한 커넥 터 핀 설계 변경은 의미가 없으므로, 커넥터 핀의 설계 최적화를 제한된 범위 내에서 진행하였다. 그림 5 (a)의 dx 방향 설계 변경은 SATA 커넥터 핀의 좌우 폭을 0.02 mm, 0.04 mm, 0.06 mm로 증가시키는 3가지 경우 로 분류하고, 그림 5 (b)의 dy 방향 설계 변경은 SATA 커넥터 핀의 위아래 폭을 0.05 mm, 0.1 mm 로 증가시키는 2가지 경우로 분류한다. 두 가지의 변경 설 계를 통하여 차동 임피던스를 감소시켜 임피던스 정합 (100 Ω)에 보다 근접시킬 수 있다. dx 방향의 설계 변경 은 SATA 커넥터 핀 간의 피치(Pitch)를 감소시키고, dy 방향의 설계 변경은 마주 보는 SATA 커넥터 핀의 면적을 증가시킨다. 이로 인해 커패시턴스와 상호 커패 시턴스 값이 증가하게 된다. 또한 dx 및 dy 방향 설계 변경 모두에서 SATA 커넥터 핀의 단면적이 증가하게

(a) 반사손실(Sdd11)

(b) 삽입손실(Sdd21)

그림 6. dx 설계 변경 SATA 커넥터의 반사손실 및 삽입손 실

Fig. 6. Reflection loss (a) and insertion loss (b) of revised SATA connector.

되어 인덕턴스와 상호 인덕턴스는 감소하게 된다. dx 및 dy 방향으로 변경 설계된 SATA 커넥터의 반사손실 및 삽입손실 특성은 그림 6과 그림 7에 각각 제시되어 있다.

SATA 3.0 Gbit/s의 채널 속도 규격은 3.0 Gbps이며, 이를 기본 주파수(Fundamental Frequency)로 변환할 경우 1.5 GHz에 해당한다. dx 변경 설계의 0.04 mm 경 우에서 기존 SATA 커넥터보다 반사손실은 1.5 GHz 에서 11 dB 개선되었고, 삽입손실은 최대 약 0.05 dB 개선되었다. dy 변경 설계는 0.1 mm 경우에서 기존 SATA 커넥터보다 반사손실은 1.5 GHz 에서 15 dB 개 선되었고, 삽입손실은 최대 약 0.075 dB 개선되었다. 또 한, 시뮬레이터를 이용하여 dx 및 dy 변경 설계 각각의 경우에 따른 SATA 커넥터의 인덕턴스, 커패시턴스, 상 호 인덕턴스, 상호 커패시턴스를 추출하고, 식 2에 대입 하여 차동 임피던스를 계산한다. dx 및 dy 변경에 따른

(a) 반사손실(Sdd11)

(b) 삽입손실(Sdd21)

그림 7. dy 설계 변경 SATA 커넥터의 반사손실 및 삽입손 실

Fig. 7. Reflection loss (a) and insertion loss (b) of revised SATA connector.

커패시턴스, 인덕턴스 및 차동임피던스 계산 값을 표 1 에 요약하였다. 표 1 (a) 및 (b)에서와 같이, dx 및 dy

증가에 따라 커패시턴스와 상호 커패시턴스는 증가하 고, 인덕턴스와 상호 인덕턴스는 감소하고 있음을 확인 할 수 있다. dx 변경 설계에서는 dx = 0.04 mm 의 경우 에서 99.5 Ω 으로 가장 최적으로 정합되었고, dy 변경 설계에서는 dy = 0.1 mm 의 경우에서 98.7 Ω 으로 가 장 최적으로 정합되었다. 결론적으로 커넥터 핀의 모양 에 따라 차동 임피던스가 변경된다. 따라서 커넥터 핀 설계 최적화를 통한 임피던스 정합으로 커넥터의 반사 손실 및 삽입손실을 향상시킬 수 있다.

Ⅲ. 결 론

본 논문에서는 SATA 커넥터의 차동 임피던스를 분 석하고 최적으로 정합하여 신호 전달 특성을 개선하였 다. 3차원 FEM 전자기장 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 차동 모드 S-파라미터로 계산하여 신 호 전달 특성을 분석하였다. SATA 커넥터의 반사손실 (Sdd11)은 5 GHz 까지 20 dB 이하의 값을 나타내고, 삽 입손실(Sdd21)은 0.1 dB 이하의 값을 가진다. 차동 임피 던스를 계산하기 위해서 시뮬레이터를 이용하여 SATA 커넥터의 인덕턴스, 커패시턴스, 상호 인덕턴스, 상호 커패시턴스를 추출하였다. 계산된 차동 임피던스 는 107.3 Ω으로 설계 사양을 만족하지 못하였다. 신호 전달 특성을 개선하기 위해서 커넥터 신호 핀을 dx 및 dy 방향으로 설계 변경하여 차동 모드 S-파라미터와 차 동 임피던스를 계산하였다. 이때 dy = 0.1 mm에서 신호 전달 특성이 가장 우수하게 나타났고, dx = 0.04 mm에 서 차동 임피던스가 99.5 Ω 으로 최적으로 정합되었다.

결과적으로 dy = 0.1 mm에서 반사손실은 1.5 GHz 에서 15 dB 개선되었다. 본 논문에서 제시한 SATA 커넥터 의 차동 임피던스 정합 방법을 이용한 신호 전달 특성 개선 방법은 차동 모드로 동작하는 다양한 종류의 커넥 터 성능 개선에 적용될 것으로 예상한다.

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저 자 소 개 양 정 규(정회원)

2010년 공주대학교 정보통신 공학부 학사졸업 2012년 공주대학교 정보통신

공학과 석사졸업

2012년∼현재 타이스일렉 연구원

<주관심분야 : SI/PI 분석, Connector, Pogo Pin, MRC>

김 문 정(평생회원)-교신저자 1997년 경북대학교 전자공학과

학사졸업

1999년 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 석사졸업 2003년 한국과학기술원 전기 및

전자공학과 박사졸업 2003년∼2006년 삼성전자 메모리사업부

책임연구원

2006년∼현재 공주대학교 전기전자제어공학부 부교수

<주관심분야 : DRAM Package, System In Package, Signal Integrity>