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2020.04.22 스위칭 노이즈 - EMC

EMC의 기초 최종 정리

정리

이번 편을 마지막으로 21회에 걸친 「스위칭 노이즈 – EMC의 기초편」을 마무리하겠습니다. 지금까지 「EMC의 기초」, 스위칭 전원을 전제로 한 「노이즈 대책 (순서와 개요)」, 「콘덴서를 사용한 노이즈 대책」, 「인덕터를 사용한 노이즈 대책」, 「기타 노이즈 대책」에 대해 다루었습니다. 최종 정리로서 각 항목의 키 포인트를 정리하였습니다.

<EMC의 기초>

EMC란?

키 포인트

・EMC (전자 양립성, 전자 적합성)는 EMI와 EMS 양쪽의 성능을 양립시킨다는 의미이다.

・EMI (전자 방해, 전자 간섭, 전자 장해)는 전자파의 방사 / 방출 (Emission)로 인한 방해이다.

・EMS (전자 감수성)는 전자파 방해 (EMI)에 대한 내성 (Immunity)이다.

스펙트럼의 기초

키 포인트

・주파수가 높아지면, 전체적으로 스펙트럼의 진폭이 증가한다.

・Rise time / Fall time을 지연시키면, -40dB/dec의 감쇠가 시작되는 주파수가 낮아지고, 스펙트럼의 진폭은 감쇠한다.

・Duty를 변경하면, 짝수차 고조파가 발생하지만 스펙트럼의 피크에는 영향을 미치지 않는 반면, 기본파의 스펙트럼은 감쇠한다.

・Rise time을 지연시키면, tr 성분이 더 낮은 주파수부터 감쇠한다.

차동 (노멀) 모드 노이즈와 공통 모드 노이즈

키 포인트

・전자 방해 EMI는 크게 「전도 노이즈」와 「방사 노이즈」로 나뉘어진다.

・전도 노이즈는 차동 (노멀) 모드 노이즈와 공통 모드 노이즈의 2종류로 분류된다.

・방사에 관해서는, 차동 모드 노이즈의 경우 라인의 루프 면적, 공통 모드 노이즈의 경우 라인 길이가 중요한 요소이다.

・조건이 동일하더라도, 공통 모드 노이즈에 의한 방사는 차동 모드 노이즈보다 훨씬 크므로 주의한다.

크로스토크란?

키 포인트

・평행하는 배선 사이에서는 크로스토크가 발생한다.

・크로스토크의 요인에는 부유 용량 (기생 캐패시터)에 의한 용량 (정전) 결합과 상호 인덕턴스에 의한 유도 (전자) 결합이 있다.

스위칭 전원에서 발생하는 노이즈

키 포인트

・스위칭에 의해 급변한 전류의 ON / OFF가 발생하는 루프에서는 기생 성분으로 인해 고주파 링잉 = 스위칭 노이즈가 발생한다.

・이러한 스위칭 노이즈는 기판 배선의 최적화 등을 통해 저감할 수 있지만, 그래도 남아있는 노이즈는 공통 모드 노이즈로서 입력 전원에 전도되므로, 누출 방지 대책이 필요하다.

<노이즈 대책>

노이즈 대책의 순서

키 포인트

・제품 개발이 진행될수록 사용 가능한 노이즈 대책 기술 및 수단이 제한되고, 대책 소요 비용은 점점 증가한다.

・제품 개발의 초기 단계에서 충분히 검토하고 평가함으로써, 여유로운 노이즈 대책이 가능해진다.

・노이즈의 종류 및 성질을 이해하고, 각 노이즈에 효과적인 대책을 실시하는 것이 매우 중요하다.

・노이즈 대책은 주파수 성분의 파악 → 발생원과 전도 경로의 파악 → GND의 강화 → 노이즈 대책 부품의 추가 순서로 실시한다.

스위칭 전원 노이즈 대책의 기본

키 포인트

・차동 모드 노이즈를 저감하기 위해서는, 회로 기판에서 대전류 경로의 루프 면적을 축소하여 최적의 디커플링과 입력 필터를 추가한다.

・노이즈의 발생원인 차동 모드 노이즈는 최대한으로 억제하는 것이 중요하며, 이는 공통 모드 노이즈의 저감으로도 이어진다.

・공통 모드 노이즈 저감을 위해서는 배선을 짧게 하여 크로스토크를 억제하고, 공통 모드 경로를 차단 (필터링)한다.

스위칭 전원의 입력 필터

키 포인트

・스위칭 전원의 입력 필터는 공통 모드 노이즈와 차동 모드 노이즈의 각각에 따라 적절하게 대처한다.

・공통 모드 노이즈에는 공통 모드 필터를 이용한다.

・차동 모드 노이즈에는 콘덴서, 인덕터, 비즈, 저항 등의 부품으로 필터를 구성한다.

<콘덴서를 사용한 노이즈 대책>

콘덴서의 주파수 특성이란?

키 포인트

・노이즈 대책용 콘덴서 선정 시에는, 용량이 아닌 임피던스의 주파수 특성을 바탕으로 선정한다.

・정전용량과 ESL이 작으면 공진 주파수가 높아져, 고주파 영역에서의 임피던스가 낮다.

・정전용량이 클수록 용량성 영역에서의 임피던스가 낮다.

・ESR이 작을수록 공진 주파수에서의 임피던스가 낮다.

・ESL이 작을수록 유도성 영역에서의 임피던스가 낮다.

콘덴서를 사용한 노이즈 대책이란?

키 포인트

・타겟 노이즈의 주파수 임피던스를 낮춤으로써 노이즈 진폭을 저감한다.

・노이즈 대책용 콘덴서 선정 시에는, 용량이 아닌 임피던스의 주파수 특성을 바탕으로 선정한다.

디커플링 콘덴서 (바이패스 콘덴서)의 사용 방법 ~ 포인트 1

키 포인트

・효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법으로는, ①여러 개를 사용한다 ②콘덴서의 ESL을 낮춘다는 2가지 포인트가 있다.

・여러 개를 사용하는 경우에는, 정전용량이 동일한지 다른지에 따라 효과가 달라진다.

효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법 ~ 포인트 2

키 포인트

・효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법으로는, ①여러 개를 사용한다 ②콘덴서의 ESL을 낮춘다는 2가지 포인트가 있다.

・콘덴서의 ESL을 낮춤으로써 고주파 특성을 개선하여, 더 효과적으로 고주파 노이즈를 저감할 수 있다.

・정전용량이 동일하더라도, 사이즈나 구조의 차이에 따라 ESL이 더 작은 콘덴서가 존재한다.

효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법 ~ 기타 주의사항

키 포인트

・Q와 주파수 – 임피던스 특성의 관계를 이해하고, 목적에 따라 Q의 차이점을 구분하여 사용한다.

・Q가 높은 콘덴서는 좁은 대역에서 임피던스 저하가 급격하다. Q가 낮은 콘덴서는 넓은 대역에서 완만하게 저하된다.

・기판 패턴의 서멀 릴리프 등은 인덕터 성분을 증가시켜, 공진 주파수를 저주파 측으로 이동시킨다.

・대책 검토 시의 임시 실장은, 실제의 수정에 적합한 실장 방법을 취하지 않으면, 수정 후의 기판에서 검토 시의 효율을 얻을 수 없게 될 가능성이 있다.

・정전용량 변화율이 크면 공진 주파수가 변동하여, 원하는 주파수에서의 노이즈 감쇠를 얻을 수 없게 된다.

・온도 조건 및 변동이 까다로운 어플리케이션에서는 CH, C0G 규격과 같은 온도 특성이 우수한 제품의 사용을 검토한다.

효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법 ~ 정리

<인덕터를 사용한 노이즈 대책>

인덕터의 임피던스 주파수 특성과 공진 주파수의 산출 방법

키 포인트

・인덕터의 경우, 공진 주파수까지는 유도성 특성 (주파수가 높아짐에 따라 임피던스가 증가)을 나타낸다.

・인덕터의 경우, 공진 주파수 이후는 용량성 특성 (주파수가 높아짐에 따라 임피던스가 감소)을 나타낸다.

・인덕터는, 공진 주파수보다 높은 주파수에서는 인덕터로서 기능하지 않는다.

・인덕턴스 L이 작아지면 인덕터의 공진 주파수는 높아진다.

・인덕터의 공진점 임피던스는 기생 저항 성분에 의해 제한된다.

페라이트 비즈와 인덕터의 기본 특성 및 노이즈 대책으로서의 사용 방법

키 포인트

・노이즈 대책에 사용하는 인덕터는, 권선 타입 인덕터를 통한 필터와 페라이트 비즈를 통한 열 변환으로 구분된다.

・페라이트 비즈는 일반적인 인덕터에 비해 저항 성분 R이 크고 Q가 낮다.

・일반적인 인덕터는 비교적 큰 직류 중첩 전류를 허용할 수 있으며, 그 범위 안에서라면 임피던스는 직류 전류의 영향을 그다지 받지 않는다.

・페라이트 비즈는 직류 전류에 포화되기 쉬우므로, 포화로 인해 인덕턴스가 저하되어 공진점이 높은 대역으로 이동한다.

・일반적인 인덕터를 통한 필터는 넓은 인덕턴스 값을 선택할 수 있다.

・페라이트 비즈는 Q가 낮으므로, 비교적 넓은 주파수에서의 대책에 효과적이다.

공통 모드 필터를 사용한 노이즈 대책

키 포인트

・공통 모드 노이즈 제거를 위해서는 공통 모드 필터를 사용한다.

・공통 모드 필터는, 자기 유도 작용을 이용하여 공통 모드 전류를 통과시키지 않는 필터이다.

주의점 : 크로스토크, GND 라인으로부터의 유입

키 포인트

・기판 배선 레이아웃에 따라서는, 크로스토크로 인해 필터 효과가 저하된다.

・Π형 필터에서 콘덴서의 GND에 따라서는, 노이즈가 GND 라인으로부터 유입된다.

・이러한 문제는 기판 배선 레이아웃을 적절하게 배치함으로써 회피 가능하다.

인덕터를 사용한 노이즈 대책 정리

<기타 노이즈 대책>

RC 스너버 회로

키 포인트

・RC 스너버 회로는 기생 용량 및 기생 인덕턴스로 인해 발생하는 전압 스파이크를, 저항을 통해 열로 변환하여 저감한다.

・스너버 회로의 추가로 인해 효율이 저하될 가능성이 있으므로, 노이즈 레벨과 효율의 타협점에 대해 검토해야 한다.

・저항은 노이즈 전압을 열로 변환하므로, 저항의 허용 손실에 주의해야 한다.

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