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2020.10.21 AC/DC

EMI 대책 - EMI · EMC · EMS란? 노이즈 대책 필터와 회로의 Low Noise화

비절연형 벅 컨버터의 설계 사례

지금까지 주요 부품의 선정, 정수 계산에 대해 설명했습니다. 이번 편에서는, EMI를 저감하기 위한 대책에 대해 설명하겠습니다.

EMC는 전자기기의 중요 과제 중 하나라고 할 수 있습니다. 각 국가에 따라 규제가 존재하므로, 기기 설계 시에는 이러한 규제를 만족해야 합니다. 또한, 기본적으로 스위칭 전원이 노이즈를 발산하면 기기의 S/N 비를 저하시켜, 기기의 사양을 만족할 수 없는 경우가 있으므로 노이즈 대책은 필수라고 할 수 있습니다.

그럼, 복습을 겸하여 EMC와 EMI 등 관련 용어를 정리해보겠습니다.

・EMI (Electro Magnetic Interference) : 전자 방해 (전자 간섭, 전자 장해)
  전파 및 고주파가 노이즈로서 전자기기 등에 영향을 미치는 현상. 또는 영향을 미치는 전자파.
  -전도 노이즈 : 케이블 및 기판 배선을 경유하여 전달되는 노이즈
    > 차동 (differential) 모드 노이즈 (노멀 모드 노이즈) : 전원 라인 사이에서 발생하여 전류와 동일한
         방향으로 흐르는 노이즈
    > 공통 모드 노이즈 : 금속 케이스 등을 경유하여 부유 용량 등을 통해 신호원으로 되돌아오는 노이즈
  -방사 노이즈 : 공기중으로 방출되는 노이즈

・EMS (Electro Magnetic Susceptibility) : 전자파 내성
  전자파로 인한 방해, 간섭 (EMI : 전도 노이즈 및 방사 노이즈)을 받아도 장해를 일으키지 않는 능력, 내성.

・EMC (Electro Magnetic Compatibility) : 전자 양립성 (전자파 적합성)
  EMI+EMS. 에미션 (Emission : 방출) 대책과 이뮤니티 (Immunity : 내성)의 적합성, 그에 대한 대책.

EMI에는, 경로의 관점에서 전도 노이즈와 방사 노이즈가 있으며, 전도 노이즈는 전달 방식에 따라 차동 모드 노이즈와 공통 모드 노이즈로 분류됩니다.

EMI 대책

용어의 설명과 같이, EMI는 다른 회로에 영향을 미치므로, 노이즈를 발생시키지 않도록 하는 것이 중요합니다. 노이즈가 발생되는 포인트는 큰 전류를 스위칭하는 노드 및 라인입니다. 대책으로는 기본적으로 임피던스의 정합 및 바이패스 / 필터의 역할을 하는 콘덴서 및 저항 / 콘덴서 회로를 추가하는 것입니다. 하기 회로 전체에서 대책 포인트를 확인해보겠습니다.

・입력부에 필터 추가

입력전압은 리플을 지닌 고전압으로, 내장 MOSFET에서 고속으로 ON / OFF하므로 입력부에 필터를 추가함으로써 노이즈를 저감시킬 수 있습니다.

・내장 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 콘덴서 추가

회로도의 C8에 해당됩니다. 정전 용량 47~100pF 정도, 내압은 500V 이상의 콘덴서를 추가합니다. 이는 스너버의 일종으로, 고속 스위칭으로 인한 OFF 시의 서지를 저감합니다. 단, 손실이 증가하므로 온도 상승에 주의해야 합니다.

・출력 정류 다이오드 D4에 RC 스너버 추가

C9 : 500V / 1000pF, R10 : 10Ω / 1W 정도를 D4에 병렬로 추가합니다. 이는 ON / OFF 시에 발생하는 스파이크를 저감합니다. 입력 스너버와 동일한 개념이며, 정수는 참고치이므로 실제의 노이즈를 확인하여 조정해야 합니다.

・출력에 LC 필터 추가

오른쪽 회로도는 출력에 LC 필터를 추가한 예입니다.
(L2는 10µH, C10은 10µF~100µF 정도)

출력전압에는 스위칭 주파수에 의존한 리플이 존재하며, 그 이외에도 고조파나 인덕턴스, 용량으로 인한 노이즈가 존재합니다. 이러한 노이즈가 문제시되는 경우에는 출력에 LC 필터를 추가하는 것이 효과적입니다.

이러한 4가지 방법이 주요 노이즈 대책입니다. 어떤 방법을 사용하더라도, 반드시 노이즈 자체를 측정하거나, 적어도 기기에 대한 노이즈의 영향을 확인해야 합니다. 정확한 노이즈의 측정은 측정 환경 및 장치가 필요합니다. 이러한 정량적인 측정이 불가능한 경우에는 기기로서의 S/N 비 등, 성능 면에서 영향의 유무 정도는 파악할 수 있습니다.

지금까지 제시한 대책은 전원 회로 구성에서의 노이즈 대책입니다. 노이즈의 발생은 기판 레이아웃, 부품 배치, 부품 성능 등에도 관계가 있습니다. 경우에 따라 LC 필터는 L형에서 π형 및 T형으로 확장하거나, 회로 기판에 실드를 설치할 필요가 있습니다.

또한, 기기의 사양에 따라서는, 국제 무선 장해 특별 위원회 (CISPR) 규격과 같은 노이즈 규격에 적합해야 합니다. 규격 준거가 필요한 경우에는 설계 초기 단계부터 이를 염두에 두고 설계를 진행하는 것이 매우 중요합니다.

키 포인트

・EMI 대책으로 입력 필터, 스위치 (드레인 – 소스 사이)에 콘덴서, 출력 정류 다이오드에 스너버를 추가한다.

・출력 노이즈에 대한 대책으로는 출력에 LC 필터를 추가한다.

・기판 레이아웃의 영향도 크므로, 함께 검토한다.

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