회로 설계와 EMC 설계의 밸런스제13회 EMC 개요 (1) 전자 양립성 (EMC)이란 무엇인가?

안녕하세요. 로옴의 이나가키입니다.

이번 편부터는 전자 양립성 (EMC)의 중급편으로, EMC에 대해 더 자세히 설명하도록 하겠습니다.

먼저, 복습을 겸하여 지난 제1편에서도 언급한 전자 양립성 (EMC)의 정의에 대해 다루겠습니다.

「전자 양립성 (EMC)이란, 기기 자체가 전자 노이즈로 인해 다른 기기나 인체에 영향을 미치는 것 (전자 간섭 EMI : Electromagnetic Interference, Emission)과, 외부로부터 전자적 영향을 받아 기기가 오동작을 일으키는 것 (전자 감수성 EMS：Electromagnetic Susceptibility, Immunity)의 2종류가 있으며, 2가지 모두에서 장해가 발생하지 않도록 양립시킬 필요가 있다는 점에서 전자 양립성이라는 명칭을 사용」합니다.

문장으로 정의하면 이와 같이 표현할 수 있지만, 조금 이해하기 어려울 것입니다. 직관적으로 알기 쉽게 반도체 집적 회로 (LSI · IC)를 예로 들어 설명하겠습니다.

먼저, 전자 간섭 (EMI 또는 Emission)에 대해 설명하겠습니다. LSI · IC는 다양한 종류가 개발되어 판매되고 있습니다. 설명을 위해 대략적으로 분류하면 하기와 같이 분류할 수 있습니다.

• ① 기존의 ３단자 전원 (7805나 7905 등)이나 저포화 전원 (LDO)의 직류 전원 관련. 취급하는 신호는 직류 (DC)
• ② 차동 연산 증폭기 (OP Amp), 전압 비교기 (콤퍼레이터) 및 음성용 신호 처리 등. 취급하는 신호는 정현파 (사인파)를 기본으로 하는 아날로그 신호 · 리니어 신호.
• ③ 마이컴, 메모리, 로직 등. 취급하는 신호는 디지털 신호.
• ④ 최근 많이 사용되는 스위칭 전원이나 차지 펌프 전원 등의 전원 관련, LED 드라이버, LCD 드라이버 등의 표시 관련, PWM 모터 · 드라이버 등의 구동 관련. 이러한 LSI · IC는 스위칭 기술을 취급하는 제품.

이 중에서 전자 간섭 (EMI)을 발생시키지 않는 것은 ①과 ②, 전자 간섭 (EMI)을 발생시키는 것은 ③과 ④입니다. 다시 말하자면, 아날로그 LSI · 리니어 LSI는 전자 노이즈가 발생하지 않고, 디지털 LSI · 스위칭 LSI는 전자 노이즈가 발생된다고 인식하면 이해가 쉬울 것입니다.

DC 전압은 기본파와 고조파 성분 자체가 없고, 정현파 (사인파)는 고조파 성분 (기본파의 N배 주파수 성분)이 적으므로 전자 노이즈가 잘 발생하지 않습니다. 반면에 디지털 LSI · 스위칭 LSI는 구형파 (펄스파)를 취급하기 때문에, 예를 들어 1GHz 부근까지의 고조파 성분 (주로 기수차 고조파)이 발생합니다. 이것이 전자 간섭 (EMI)의 정체입니다. 다시 말하자면, 디지털 LSI나 스위칭 LSI는 전자 간섭 (EMI)을 발생시키는 회로 동작을 하는 것입니다. 당연히 그 장점으로서, 디지털 동작을 통한 고속 · 대규모 연산 처리나 저전력 동작을 통한 배터리 구동 시간의 연장 등을 실현합니다. 전 세계에서 널리 사용되는 것은 장점이 단점보다 많기 때문입니다.

다음으로, 전자 감수성 (EMS 또는 Immunity)은 반도체 집적 회로 (LSI · IC)의 전자 노이즈에 대한 내성으로, 오동작 등을 일으키지 않는 강한 내성이 요구됩니다. 전자 감수성 (EMS)은 2가지 관점으로 생각할 수 있습니다.

첫번째는 전압 축의 개념입니다. 제조 공정 미세화를 통한 낮은 전원전압화는 오동작을 초래하기 쉽습니다. 예전에는 5V 로직이 주류였지만, 요즘에는 전원전압이 0.9V인 제품도 있습니다. 로직 IC는 내부의 임계치 전압 (H 레벨과 L 레벨을 구별하는 IC 내부의 전압)이 예를 들어 2V에서 0.4V까지 작아졌습니다. 5V 로직에서는 1V의 외부 전자 노이즈로 인해 오동작하지 않았던 제품이, 0.9V 로직에서는 간단히 오동작을 일으키게 됩니다. 그럼에도 불구하고 0.9V 로직을 사용하는 것은 역시 저전력 설계를 통한 장점이 있기 때문입니다.

두번째는 주파수 축의 개념입니다. 반도체 집적 회로 (LSI · IC)는 그 자체로 동작시킬 수 없습니다. 프린트 기판 (PCB)에 탑재하고 회로를 구성하여 동작시킵니다. LSI 내부를 포함하여 프린트 기판 (PCB)에는 배선에 관련된 기생 성분이 다수 존재합니다. 간단하게는 기생 저항 R (배선 저항), 기생 용량 C (부유 용량), 기생 인덕턴스 L (직류 인덕턴스) 등이 있습니다. 대표적으로는 ESR (Equivalent Series Resistance : 등가 직렬 저항)이나 ESL (Equivalent Series L = inductance : 등가 직렬 인덕턴스)가 있습니다. 그리고, 기생 성분 중에서 까다로운 것이 용량과 인덕턴스입니다. LSI 내부나 프린트 기판 (PCB)의 모든 곳에 존재하는 기생 용량 C와 기생 인덕턴스 L로 인해 공진 현상이 발생하기 때문입니다. LC의 직렬 공진과 병렬 공진이 저주파에서 고주파까지 다양한 주파수에서 발생합니다. 이러한 공진 주파수는, 임피던스가 zero나 무한대가 되면 오동작이 발생하기 쉬운 주파수가 형성됩니다. 이것이 전자 감수성의 원인 중 하나입니다. 원인 중 하나라고 표현한 것은, 당연히 오동작이 발생하기 쉬운 회로 구성이나 기판 아트워크 등 기타 원인도 많이 있기 때문입니다. 일반적으로 전자 간섭 (EMI)에 대한 대책보다 전자 감수성 (EMS)에 대한 대책이 어렵다고 하는 이유는 전자 감수성 (EMS)에는 원인이 여러 개 존재하고, 그중 어떤 것이 지배적으로 영향을 미치는지 판단하려면 많은 시간과 기술 (테크닉)이 필요하기 때문입니다.

그럼, 다음 편에서는 전자 노이즈의 전달 경로에 대해 설명하겠습니다.