전기/전자 회로에서의 노이즈는 전기적 동작을 방해하는 에너지를 말하는데, 시간적으로 변하는 AC 전압, 전류의 변동과 전자파에 의한 영향을 받아 일어난다.
링잉(Ringing)의 해석
전기/전자 시스템에서의 대표적 노이즈인 링잉은 인덕턴스와 커패시턴스의 공진에 의해 발생된다.
노이즈 대응
EMI/EMC 노이즈 시험에서 실패했을 때 분석 및 대응은 실패 요소에 따라 시스템내에서 노이즈 신호에 대한 측정과 분석으로 취약 지점을 찾고, 그 지점으로 노이즈가 인입되는 경로를 알아낸 후 해당 부분에 적당한 노이즈의 대책을 시행하게 된다.
대표적인 노이즈 대응으로 노이즈를 커패시터와 필터 등을 이용하여 그라운드로 우회시키는 바이패스 또는 옵토 커플러, 절연 트랜스 등으로 절연시키는 노이즈 분리, 저항 성분으로 노이즈를 열로 소모시키는 노이즈 흡수(소모)방법, 외부를 도체로 차단하여 RF 노이즈의 유입을 원천 차단하는 차폐(실딩, Shielding)방법 등을 둘 수 있다.
1. 노이즈의 종류
인공 노이즈의 주파수 대역
(1) 노이즈의 형태
용어
모양
내용
서지 (Surge)/ESD
수십 us이하의 순간적인 과전압(수 KV이상), 과전류(수 A 이상) 노이즈를 말한다. 정전기에 의한 ESD와 낙뢰 등에 의한 서지 노이즈가 있으며, 이는 EMC 부분에서 다루게 된다.
글리치 (Glitch)
순간적으로 생겼다가 사라지는 노이즈로 크르스토크, 반사파, 디지털의 타이밍 미스매치 등 여러 원인에 의해 생길 수 있다. 인덕턴스 부하의 역기전력과 같이 순간 노이즈의 크기가 큰 노이즈는 임펄스성 노이즈라 표현하기도 한다.
리플 (Ripple)
리플은 물결 모양의 노이즈를 의미하는 것으로, 평활회로에서 보았듯이 AC의 정류, 스위칭 레귤레이터의 스위칭 동작 등에 인한 요인으로 발생한다. 주파수가 규칙적인 것이 특징이다.
링잉 (Ringing)
계단 입력에 대한 응답 파형으로 오버슈트 이후의 진동 노이즈를 의미한다. 오실레이션이라고도 하며, 펄스로 동작되는 디지털 시스템에서는 성능 및 EMI를 취약하게 만드는 주범 중 하나이다.
스위칭 노이즈 (Switching Noise)
스위칭 노이즈는 회로 내의 스위칭 동작과 커플링에 의해 발생하는 노이즈로 글리치, 리플과 비슷한 파형을 보이며, DC-DC 컨버터와 같은 스위칭 레귤레이터의 경우 주기적인 스위칭 작용에 의해 주파수가 규칙적인 경우가 많다.
열 잡음 (Thermal Noise)
저항에 전류가 통과할 때 발생되는 열로 인해 전하가 불규칙적으로 움직이며 발생하는 전위차 노이즈를 말한다. 이 열 잡음은 모든 전자 시스템의 모든 곳에 항상 존재하는 노이즈로 비교적 크기가 작고 모든 주파수 대역에 존재한다. 존슨 노이즈 또는 정규분포를 따르고 있어 가우시안 화이트 노이즈라고도 한다. 도선의 저항과 전류가 클수록 많이 발생하므로, PCB설계에서 전원선 및 그라운드 선의 저항 성분을 작게 하는 설계가 중요하다. 일반적으로 전원에는 이 열 잡음으로 인해 수십 mV ~ 수백 mV 크기의 잡음을 항상 가지게 된다.
지터 (Jitter)
지터 노이즈는 디지털 클럭 신호와 타이밍 상의 펀치를 의미하며, 전원 노이즈, 온도 드리프트, 제조 편차 등 다양한 원인으로 발생할 수 있다. 간혹, 지터 노이즈로 인해 신호 라인, 전원 라인에 노이즈가 발생되기도 하므로 서로 상관관계가 있어 실무에서 흔들리는 전원 노이즈도 지터라고 하는 경우가 있다.
스큐 (Skew)
스큐는 엄밀히 노이즈라기 보다는 신호 왜곡으로 두 개의 신호가 지연이 달라 도착하는 시간이 다른 것을 의미한다. 디지털 회로에서 소자에 입력되는 신호의 지연이 달라 출력 신호가 순간적으로 변하는 글리치 노이즈가 발생할 수 있다.
커패시턴스에 의한 스위칭 노이즈 발생의 시나리오적 이해
0V에서 3V로 스위칭 동작을 하는 예를 생각해보면
커패시터에 전압이 충전되고 방전되는 과정에서 스위칭 동작으로 인해 주변 선로 또는 회로에 순간적인 전압의 상승을 초래해 커패시턴스 결합에 의한 스위칭 노이즈가 생긴다.
스큐로 인한 글리치 노이즈
(2) RC 필터의 노이즈 전류의 경로
위는 차단 주파수 ω = 100 rad/sec인 RC 저주파 통과 필터 회로이다.
중첩의 원리에 따라 유효한 신호는 그대로 통과되고, 차단 주파수보다 높은 노이즈 신호 0.2sin(1000t)는 -20dB의 감쇠율 즉, 0.1배의 신호로 감쇠되므로, 0.02sin(1000t + φ)신호로 출력이 나온다.
두 신호를 더하면 최종 출력이 된다.
노이즈 전압의 감쇠
ω = 1000 rad/sec일 때의 임피던스는
노이즈 전류는
저항에는 위와 같은 노이즈 전류가 흐른다.
저항에 전류가 흐르면 저항 양단에 전압이 생성되고 전압 강하가 일어나게 되므로, 노이즈 전압에 대한 출력 Vout을 이 전압 강하로 KVL 표현하면 위와 같이 표현 할 수 있다.
유효 신호 sin(10t)의 경우 신호 크기 대비 매우 작은 전압 강하로 무시할 수 있다.
저항에 흐르는 정현파 노이즈 전류
유효 신호의 누설 전류와 1.00uA의 노이즈 전류가 그라운드로 궤한되어 흐르면서 노이즈 전압 신호는 감쇠된다.
2. 노이즈 경로에 의한 구분
(1) 전도성 노이즈
전도성(Conductive)노이즈는 외부와 연결되는 전원선, 통신선 등의 도전성 경로를 통해 직접적으로 전달되어 영향을 주는 노이즈로 직접 결합이라고도 한다.
(2) 유도성 노이즈
용량 결합(Capacitance Coupling)과 자기 결합(Inductance Coupling)에 의한 유도(Inductive) 노이즈는 결합 노이즈, 커플링(Coupling)노이즈라고도 하는데, 주변 소자, 주변 패턴 등에 생성되는 의도치 않은 기생/부유 커패시턴스에 의한 용량 결합과 상호 인덕턴스의 자기장에 의한 유도 결합 또는 자기 결합으로 발생되는 간섭 노이즈를 말한다.
용량/자기 결합은 도전체 간의 거리, 신호 스위칭 시 전압 변화 속도와 용량 결합에 의한 노이즈 전류 Inoise = CdV/dt, 전류 변화 속도와 자기 결합에 의한 노이즈 전압 Vnoise = LdI/dt에 의해 간섭 노이즈의 크기가 달라진다.
(2)-1 용량 결합
용량 결합에 의한 전류 노이즈
신호의 시간당 전압의 변화가 클수록(전압과 주파수가 높을수록), 커패시턴스가 클수록 더 큰 노이즈 전류가 유기된다.
이 중 두 도체 간에 생성되는 커패시턴스는
이므로, 두 도체가 마주하는 면적이 넓거나 두 도체의 거리가 가까울수록 더 큰 결합이 일어나게 되어 간섭의 영향이 커진다.
용량 결합의 긍정적 효과
이런 용량 겹합은 신호의 간섭 노이즈에 대해서는 부정적인 효과를 보이지만, 그라운드 신호선 간의 부유용량에 의한 결합은 신호에 포함된 고주파 노이즈에 대해 생성된 커패시턴스로 리턴 패스(Return Path)를 제공함으로써 더 안정적인 신호를 제공할 수 있다. 이를 바이패스(Bypass)라 한다.
때문에, PCB 설계에서는 안정적인 신호를 위한 용량 결합 효과를 얻기 위해 큰 그라운드를 사용한다.
(2)-2 자기 결합
근처의 도전체와 자신과의 사이에 인덕턴스에 의해 생성된 자기장의 결합을 자기 결합(Inductive Coupling)이라 한다.
도전체에 전류가 흐르기만 하면 자기장이 생성되게 되고, 펄스 신호 등에 의한 전류의 변화로 인한 이 자기장의 변화는 패러데이 법칙에 의해 근처의 도체에 유도 기전력을 생성한다.
이 유도 기전력이 노이즈로 작용되는 것이다.
자기 결합에 의한 노이즈 전압
신호의 시간당 전류의 변화가 클수록(전류와 주파수가 높을 수록), 상호 인덕턴스가 클수록 더 큰 노이즈 전압이 유기된다.
자기 결합 노이즈는 평행 도선에서 전류의 방향에 따라 자기장이 서로 상쇄되어 작아지거나 서로 합해져 커지는 차이를 가진다.
전류의 방향이 반대인 경우는 전류가 나가는 신호선과 전류가 돌아오는 그라운드의 관계로 볼 수 있다.
전류의 방향이 반대인 경우
이 경우 평행 배선된 길이 l이 길어질수록, 떨어진 거리 d가 멀어질수록, 도선의 직경 r이 작을수록 인덕턴스는 커지게 되므로, 그라운드와 가깝게 배선한다면 인덕턴스 영향을 덜 받게 된다.
전류의 방향이 같은 평행 도선은 그 자체로 생성되는 자기장이 합쳐셔 더 큰 인덕턴스가 발생된다.
전류의 방향이 같은 경우
이 경우 평행 도선에서의 상호 인덕턴스 M은 도선이 서로 인접하여 배선된 길이 l이 길어지고, 두 도선 사이의 거리 d가 가까워질수록 커져 간섭 노이즈의 영향을 더 많이 가진다.
(2)-3 크로스토크(Crosstalk)
크로스토크(Crosstalk)는 누화라고 하며, 위에서 본 용량/자기 결합 즉, 전자기적 결합에 의해 인근 다른 신호선에 노이즈로 작용해 신호에 영향을 주는 간섭현상을 말한다.
크로스토크 노이즈는 소스에 의해 영향을 받는 다른 신호에 링잉 및 신호 지연을 만들어 오작동을 유발할 뿐 아니라, 신호의 손실 전력을 크게 하여 효율을 저하시킨다.
용량/자기 결합에서 본 것 처럼 dV/dt, dI/dt로 소스 신호의 전압/전류 크기가 크고 신호의 변화율이 빠를수록, 즉, 주파수가 높은 신호일수록 결합에 의한 간섭 노이즈의 영향은 커진다.
이 용량/자기 결합에 의한 크로스토크는 PCB설계에서 근처의 신호선들과 멀게 함으로써 결합의 크기를 줄여 노이즈의 영향을 줄이는 3W 규칙이 있다.
또한, 두 도선이 평행하게 마주하는 거리를 짧게 해 용량/자기 결합을 줄일 수 있다.
이 밖에서 외부와의 결합은 도전성 케이스, 차폐 통신 케이블의 사용 등으로 노이즈원과의 커플링을 완전 차폐하는 방법이 있다.
(3) 방사 노이즈(전자파)
방사(Radiation) 노이즈는 공기 중으로 전달되는 전자파 노이즈로 인체로 전달되어 인체에 좋지 않은 영향을 줄 수 있고, 다른 전자기기에 오작동을 야기하기 때문에 EMI규격에서는 이 전자파 방사의 양을 제한한다.
따라서, 시스템의 초기 설계부터 전자파 노이즈에 대한 대응 설계가 필요하다.
전자기파(Electromagnetic Wave)
도선에 교류(AC)전류를 인가했을 때, 암페어 법칙에 의해 도선에 전류가 흐르면 자기장이 발생되고, 교류이므로 생성된 자기장의 변화가 발생된다.
고주파의 큰 전류의 변화는 큰 자속의 변화를 생성하고, 이는 강한 전자기파를 발생시켜 다른 기기에 영향을 줄 수 있다.
반대로 외부 자속의 변화에 비해 L이 클수록 더 큰 노이즈의 영향을 받을 수 있다.
인덕턴스가 큰 긴 도선은 전자파를 방사해 영향을 줄 수 있고, 전자파에 의한 영향을 쉽게 받을 수도 있는데, 이를 도선이 안테나 역할을 한다고 한다.
따라서, 자기장의 크기와 관련되어 있는 인덕턴스 L을 감소시킬 필요가 있기에 짧고 굵은 배선이 중요하다.
3. 노이즈의 방향에 따른 분류
노이즈 전류의 방향에 따라, 노멀 모드(Normal Mode, 차동 모드) 노이즈와 코몬 모드(Common Mode, 공통모드)노이즈로 구분되며, 이 노이즈의 방향에 따라 대응하는 방법이 달라진다.
(1) 노멀 모드 모이즈(Normal Mode Noise)
Normal Mode 노이즈는 시스템 내의 그라운드와 전원 또는 신호 사이에 전위 차이가 발생하는 선간 노이즈를 말한다.
그라운드와의 전위차로 나타나므로 차동(Differential) 노이즈라고도 한다.
전자 시스템 자체에서 발생하는 대부분의 노이즈는 노멀 노이즈라 할 수 있으며, 전원의 전류 흐름과 같은 방향(혹은 반대 방향)의 노이즈 전류의 방향을 가진다.
따라서, 노멀 모드 노이즈는 시스템 내의 기준 전위인 그라운드와 전위차가 생기게 되는 노이즈이다.
노멀 모드 노이즈는 보통 과전압/과전류의 노멀 모드 노이즈는 외부로부터 전원선, 통신 선로 등으로 전도되어 유기된다.
(1)-2 노멀 모드 노이즈 대책
노멀 모드 노이즈는 오실로스코프 등의 측정 장비를 통해 기준 전위인 그라운드와의 전위차를 측정함으로써 관찰 가능하며, 그라운드와 신호선 또는 전원선의 사이에 조치를 취함으로써 대책 강구 가능하다.
노이즈의 분리
노이즈를 그라운드 또는 접지로 바이패스 시키는 방식이다.
안정적인 그라운드
노이즈 바이패스 효과를 얻기 위해 안정적인 그라운드 역할은 절대적이다.
노이즈 바이패스 경로의 낮은 임피던스와 전원선/신호선과 그라운드와의 큰 커패시턴스 결합이 구현되어야 한다.
이런 효과를 얻기 위해 그라운드는 될 수 있는 한 크게 키우도록 한다.
전원 라인 대책
전원 라인으로부터 유기되는 노멀 모드 노이즈는 RC필터, LC필터 또는 용량이 큰 커패시터의 사용으로 고주파 노이즈에 대한 그라운드로의 낮은 임피던스 경로를 구현하여 바이패스 시키는 방법이 있다.
RC 1차 필터는 노이즈의 감쇠율은 -20dB/decade로 구현하기 쉽지만, 저항으로 인한 전력의 소비 및 전압 강하가 있으므로 전원 라인에는 잘 사용되지 않는다.
반면, 쵸크 코일은 DC는 통과시키면서 AC는 통과시키지 않는 역할을 하는 코일을 말하는데, 이런 쵸크 코일 등의 코일과 커패시터로 설계되는 LC필터는 2차 필터로 -40dB/decade의 노이즈에 대한 높은 감쇠율을 가져 RC필터보다 노이즈 제거율이 더 우수하여 전원 라인의 노이즈 제거에 많이 사용된다.
바이패스/디커플링 커패시터
전기/전자 소자의 커패시터 부분에서도 보았듯이 노이즈를 그라운드로 바이패스(Bypass)시키는 역할로 고주파 노이즈 제거에서 가장 중요하고 많이 사용하는 방식이다.
노이즈의 절연
시스템의 전위를 외부와 완전 분리하는 방법으로 노이즈 전류를 차단하는 가장 확실한 방법이다.
포토 커플러(옵토 커플러, Opto Coupler), AC절연 트랜스 등을 이용하는 방법이 있는데, 이는 Commom Mode 노이즈에도 충분히 효과적인 방법이다.
Opto Coupler(옵토 커플러) = Photo Coupler(포토 커플러) : 포토 커플러는 전기 신호를 빛으로 전달 시킬 수 있는 부품이며 빛을 전달해주는 발광 다이오드(LED)와 스위치 역할을 해주는 트랜지스터로 구성된다. 포토 커플러 원리예를들어, 다이오드의 캐소드 부분은 그라운드를 애노드 부분에는 시그널을 넣어 시그널이 High 일 때만 빛이 전달되어 TR이 스위치로 동작하게 된다. *동작원리 : Base에 전류가 흐르면 Collector에서 Emitter로 전류가 흐르게 되는데 Base에 전류가 흐르면 Collector에서 Emitter로 전류가 흐르게 된다. 여기서 포토 커플러는 Base에 전류가 흐르는 대신 LED의 광출력 신호를 TR의 Base로 보내서 스위치 역할을 하게 한다. 그래서 PIN을 보면 베이스가 없는 것을 알 수있다. 다이오드를 점등함으로써 트랜지스터의 베이스에 전류가 흐르고 TR이 동작하게 된다. 그래서 응답 속도가 매우 빠르다는 장점이 있다.
*용도 1. 전원이 다른 두 회로를 완전히 분리 시키는 것 : 발광 소자와 수광 소자 사이에 절연 물질이 있기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 포토 커플러는 LED와 TR에 서로 다른 그라운드를 연결할 수 있기에 서로 다른 그라운드를 가지는 회로에서 시그널을 전달하는 경우에 사용된다. 예를들어 한쪽은 Analog Gnd, 다른 한쪽은 Digital Gnd가 될 수 있다. 2. 잡음에 강하게 된다. : LED와 TR사이는 광에 의해서만 신호가 전달되어 그라운드 라인을 통한 노이즈의 영향을 받지 않는다.
노이즈 전력의 소모
Normal mode 노이즈의 전력을 소모시켜 노이즈를 제거하는 방법이다.
직렬 저항 또는 비드의 사용
직렬 저항 또는 비드를 사용해 노이즈의 전력 소모하여 제거하는 방법으로, 신호 전력도 소모되므로 전력 손실이 발생할 수 있으며, 전압 강하, 신호 지연이 발생할 수 있는 단점이 있지만, 간단하게 적용해 볼 수 있는 쉬운 방법이다.
신호선의 트위스트 케이블 사용
신호선에 근처의 AC 전원선 등에 의해 생성된 외부 자기장이 수직적으로 인가되면, 일반 케이블의 경우 노멀 노이즈 전류가 유도되어 신호에 오작동을 일으킬 수 있다.
트위스트 케이블(Twisted Cable)은 선을 꼬아 놓은 전선으로, 하나의 매듭마다 자기장에 의해 유도되는 노이즈 전류의 방향이 반대로 형성되며, 서로 상쇄되어 유도된 노이즈의 영향이 작아진다.
다른 측면으로 전원선/그라운드선과 같이 전류의 리턴 패스를 가지는 두 개의 선로는 반대 방향의 전류가 흐르면서 선로에 생성된 자기장은 EMI 방사를 일으키는데, 트위스트 케이블의 경우 매듭마다 반대 방향의 자기장이 생성되어 서로 상쇄되는 효과를 가져 EMI 방사 감소에도 효과를 가진다.
이런 이유로 통신선에는 노이즈의 방어를 위해 차폐된 트위스트 케이블을 많이 사용한다.
과전압/과전류 시스템 보호 대책
ESD/서지 등의 과전압/과전류 대응 용도로 X커패시터, 바리스터(Varistor), 과전류 대응용 퓨즈, 폴리 스위치, TVS 다이오드 등의 보호 소자를 사용해 시스템을 보호한다.
(2) 코몬 모드 노이즈(Common Mode Noise)
Common Mode 노이즈는 대지 또는 더 큰 다른 시스템의 그라운드를 경로로 들어오는데, 시스템의 그라운드와 전원선/신호선이 같은 방향의 노이즈 전류를 받게 되는 즉, 노이즈의 전류 방향이 같은 노이즈를 말하며 공통 모드 노이즈라고 한다.
위 그림처럼 노이즈 전류의 방향이 같으므로, 선간 전위차는 발생하지 않고 대지와 전위차가 발생하게 되어 대지 간 노이즈라고도 한다.
코몬 모드 노이즈 전류의 경로는 직접 결합 또는 용량/자기 결합에 의해서 발생될 수 있다.
코몬 모드 노이즈는 여기서 예로드는 대지와 연관된 경로뿐 아니라, 시스템내의 큰 그라운드와 작은 그라운드를 가진 블록 사이에도 코몬 모드 노이즈가 만들어 질 수 있으므로, 코몬 모드 노이즈를 무조건 대지와 연관짓지 말고 전류의 리턴 패스를 고려한 개념적인 이해가 중요하다.
같은 방향의 전류인 코몬 모드 노이즈는 평행 배선 선로가 가깝게 배치되어 배선된 길이가 길어질수록 자기장이 더 커져 노멀 모드 노이즈보다 더 큰 EMI 노이즈를 방사하며, 외부의 다른 시스템과 통신을 하는 경우 그라운드 루프가 형성되어 시스템들 사이의 전위차가 생성되고, 이는 동작 오류 또는 시스템 파손의 원인이 되기도 한다.
(2)-1 코몬 모드 노이즈 대책
코몬 모드 노이즈는 그라운드와 신호 라인/전원 라인이 같은 극성의 노이즈를 받기 때문에 전위차가 발생하지 않으므로, 시스템 그라운드를 기준으로 노이즈를 측정한다면 코몬 모드 노이즈를 제대로 관찰할 수 없다.
한가지 방법으로 대지 그라운드를 기준점으로 시스템 그라운드, 신호/전원 라인의 각각의 전위차로 측정하는 것이다.
노이즈 분리
시스템 절연
노멀 모드에서와 마찬가지로 옵토 커플러, AC 절연 트랜스 등을 이용해 시스템을 완전 절연 분리하여 코몬 모드 노이즈 전류가 흐를 수 없도록 하여 시스템을 보호할 수 있다.
노이즈 바이패스
같은 방향의 전류 노이즈인 코몬 모드 노이즈는 시스템 그라운드와 신호선의 노이즈 전위가 같기 때문에, 노멀 모드 노이즈와 같이 시스템 그라운드로 노이즈를 바이패스시키거나 단순 저주파 필터 등으로 제거할 수 없다.
하지만, 코몬 모드 노이즈는 노이즈의 리턴 패스인 대지와는 전위차가 발생되므로, 그라운드와 전원/신호선을 각각 커패시터를 통해 대지 접지에 연결하여 코몬 모드 노이즈를 대지로 바이패스 시켜 노이즈를 분리할 수 있다.
고전압 시스템에서 이런 용도의 커패시터를 Y안전 커패시터라 한다.
노이즈 소모 - 코몬 모드(Common Mode)쵸크 코일
노이즈의 전력 소모를 위해 노멀 모드 노이즈에서 직렬 저항, 쵸크 코일(Choke Coil)을 사용했지만, 코몬 모드 노이즈는 이들 소자들로 제거할 수 없다.
코몬 모드 노이즈에 대한 대책으로는 일반 쵸크 코일과 구조가 다른 코몬 모드 EMI필터라고도 하는 노이즈 제거용 초크를 사용한다.
노멀 모드 전류에서는 쵸크 코일의 코어에 반대 방향의 자기장이 생기며, 서로 상쇄되어 코일의 역할을 하지 않아 신호 동작에 영향을 미치지 않다.
같은 방향으로 전류가 흐르는 코몬 모드 전류는 코어에 같은 방향으로 자기장이 생성되기 떄문에, 합해져 자기장의 크기가 더 커진다.
이 생성된 자기장은 코몬 모드 노이즈 전류의 흐름을 방해하여 차단하고 코몬 모드 노이즈는 코어에서 열로 소비된다.
차동 모드(Differential Mode) 통신
고속 통신에서 차동 통신을 사용해 SNR(Signal to Noise Ratio, 신호 대 잡음비)을 강화한다.
차동 통신은 신호선을 두개를 사용해 서로 반대 극성의 신호 전압을 보내는 방식으로 V+, V-로 표기하고 두 신호의 차가 최종 신호가 되는 통신 방식이다.
S를 신호 크기, N을 노이즈라 하면, 아래 식처럼 표현된다.
신호가 서로 반대 극성이기 때문에 두 신호의 차는 실제 신호의 2배 전압을 가지게 되어 노이즈에 내성이 커지며, 같은 크기의 코몬 모드 노이즈는 서로 빼짐으로써 없어지는 효과를 가진다.
4. 접지(Grounding)
노이즈에 대한 대책은 앞에서 많이 소개되었는데 그 중 특히 RC필터, LC필터, 바이패스 커패시터 등과 같이 노이즈를 시스템 그라운드로 바이패스 시켜 노이즈를 분리시키는 방법이 많이 사용된다.
접지는 Grounding이라고도 하며, 안전 또는 신호의 안정화를 목적으로 시스템의 그라운드를 대지와 같은 더 큰 그라운드로 연결시켜 노이즈에 대한 바이패스 경로를 확보하는 것을 의미한다.
이런 목적의 접지 회로의 핵심은 접지 회로의 임피던스를 작게 하고, 그라운드 루프를 형성하지 않도록 해야 한다.
(1) 그라운드에 대해
전압은 어떤 기준 전위로부터의 특정 위치 전위의 전위차를 말하며, 전자 시스템 내에서의 전압은 그라운드 전위로부터의 전위차를 의미한다.
이 그라운드 시스템 내부에서 사용되는 전압에 대한 기준 전위이며, 보통 0V로 취급하지만 실제 대지와의 전위차가 0V 임을 의미하는 것은 아니다.
(1)-1 그라운드와 노이즈 경로
임피던스(Impedance)란 저항 성분과 교류에서 전류의 흐름을 막는 특성인 리액턴스 성분의 벡터합이다.
PCB설계에서 선로의 임피던스 또는 그라운드의 임피던스를 낮추어야 한다.
낮은 저항과 낮은 인덕턴스의 선로
신호를 전달하는 선로의 저항과 인덕턴스는 낮아야 한다.
전기 에너지 전달에 있어 선로의 저항과 인덕턴스는 신호의 전압 강하를 일으키며, 특히 저항은 P = I^2R의 전력 손실을 일으킨다.
또한 인덕턴스는 리액턴스 ωL로 높은 주파수일수록 리액턴스가 높아져 고주파 신호에 대해 큰 전압 강하를 일으키게 될 뿐 아니라, 인덕턴스에 흐르는 전류의 변화는 자기장의 변동을 일으키며 크로스토크(신호 간섭) 및 EMI성능을 열화시키게 되어 또 다른 노이즈 원이 될 수 있다.
선로의 저항 성분과 인덕턴스 성분이 최소가 되도록 굵고 짧은 배선을 해야한다.
노이즈에 대한 낮은 임피던스 경로
고주파 노이즈에 대한 낮은 임피던스의 의미는 디지털 시스템에서 DC성분은 유효 신호로 사용되므로 통과시키고, 고주파 노이즈 성분은 그라운드로 바이패스시켜 통과를 막겠다는 의미를 내포한다.
노이즈 바이패스와 낮은 임피던스의 이해
왼쪽 그림은 1A의 노이즈 전류에 대해 시스템이 50V의 노이즈 영향을 받는 받는 반면, 오른쪽은 1V로 노이즈 바이패스 경로의 임피던스가 낮을수록 노이즈 전류에 대해 시스템이 받는 영향은 더 작아진다.
즉, 바이패스 노이즈 전류가 시스템에 영향을 적게 미치게 하기 위해 그라운드로 우회하여 흐르게 하는 것으로 이 경로의 임피던스가 낮아야 한다.
바이패스 경로 임피던스의 주파수 특성
노이즈 경로는 왼쪽 그림처럼 RLC 직렬 회로가 되며, 이에 대한 임피던스의 주파수 특성이 오른쪽에 있다.
커패시턴스 C는 실제 커패시터 소자일 수도 있지만, 그라운드와 전원/신호선 사이에 생성되는 부유용량일 수도 있다.
RLC 직렬 회로의 임피던스임피던스의 크기
위 그림의 주파수 특성에서 저주파 임피던스 20log1/C은 커패시턴스의 중요성을 강조하기 위해 선로의 저항, 인덕턴스가 매우 작다고 했을 때 즉, R ≈ L ≈ 0일 경우 ω = 1일 때의 임피던스의 크기를 표시한 것이다.
결국, 이 고주파 노이즈 경로의 임피던스의 크기가 작기 위해서는 낮은 저항, 낮은 임피던스, 높은 커패시턴스를 가져야 하는 것을 의미한다.
이런 이유로 PCB설계의 배선 방법은 굵고 짧은 배선이 필요하며, 높은 커패시턴스를 구현하기 위한 그라운드와 평행한 배선이 기본이 된다.
하지만, 위 그림의 주파수 특성에서도 볼 수 있듯이 고주파 스위칭 노이즈의 주파수 ω가 RLC 직렬 회로의 공진 주파수보다 높아지면, 임피던스는 상승하게 되고 노이즈 감소 효과는 줄어든다.
따라서, 신호의 고속화가 될수록 더 낮은 저항과 인덕턴스, 높은 커패시턴스가 필요하지만, 보드의 소형화 등에 의한 패턴 굵기의 제약 때문에 낮은 저항과 인덕턴스는 구현이 어렵다.
낮은 임피던스의 그라운드
그라운드는 모든 전류의 리턴 패스이다.
전류는 루프가 만들어져야 흐를 수 있는데, 그라운드는 시스템 내의 모든 전류의 리턴 패스 즉, 돌아오는 경로를 의미하기도 한다.
시스템 내에서 가장 큰 전류가 흐르게 되어 그라운드와 저항 및 인덕턴스로 인한 더 큰 전압 강하와 전력 손실의 영향을 받게 되므로 다른 배선보다 더욱 낮은 저항과 낮은 인덕턴스를 가져야 할 뿐 아니라, 많은 전류를 감당할 수 있도록 충분히 굵어야 한다.
또한 작은 열 잡음을 위해서 최대한 낮은 저항을 가져야 한다.
그라운드의 높은 인덕턴스는 시스템의 기준 전위를 흔든다.
그라운드의 저항과 인덕턴스 중 특히, 인덕턴스가 크다면 이로 인해 고주파에서의 전압 강하뿐 아니라 커패시턴스와 인덕턴스의 공진 영향으로 그라운드 자체에 링잉이 발생될 수 있다.
그라운드가 흔들리는 현상을 그라운드 바운싱 현상이라 한다.
그라운드 바운싱은 시스템의 전체의 기준 전위를 흔듬으로써 시스템 내 모든 요소에 노이즈로 영향을 주게 된다.
그라운드의 인덕턴스에 의한 이 현상은 고주파 신호 또는 고주파 노이즈일수록 크기는 더욱 커지므로, 그라운드의 낮은 인덕턴스는 매우 중요하다.
이 바운싱 현상은 보드의 공진점이 만들어 내는 현상이라고도 말할 수 있다.
(1)-2 낮은 임피던스의 그라운드 구현과 효과
짧고 굵은 전원 배선
넓은 그라운드 낮은 저항, 인덕턴스를 구현하기 위한 방법뿐 아니라 선로와의 높은 커패시턴스를 구현하기 위한 방법이다.
큰 커패시턴스 결합의 제공
큰 그라운드의 형성은 신호선, 전원선과의 큰 커패시턴스 형성으로 노이즈에 대한 낮은 임피던스의 바이패스 경로를 제공해 안정된 신호를 구현할 수 있다.
커패시턴스가 커지면 신호가 안정되는데, 고주파 노이즈의 바이패스 경로 제공, 전원의 전류 밷업으로 인한 안정화, 신호의 링잉등의 제거 등으로 EMI/EMC 성능을 우수하게 할 수 있다.
짧은 전류 리턴 패스 제공
고주파 노이즈는 부유용량 커패시턴스 또는 실제 커패시터 소자를 통해 그라운드로 바이패스되어 소진된다.
전류는 임피던스가 낮은 곳으로 더 많이 흐르려는 경향을 생각해보면, 그라운드의 저항 및 인덕턴스가 높아지면, 실제 그라운드로 빠져야 할 노이즈가 IC로 인입될 수 있기 때문에 이런 현상들을 방지하기 위해 그라운드의 낮은 임피던스는 중요하다.
또한, 노이즈 전류가 되돌아 가는 리턴패스(Return Path)가 짧을수록 다른 디바이스에 가해질 수 있는 노이즈는 작아질 수 있다.
넓은 그라운드는 신호와의 부유용량의 생산성으로 노이즈 전류에 대한 짧은 리턴패스를 만듬으로써 노이즈 내성을 강화한다.
RF 방사 노이즈 커플링 분산/감소
그라운드가 없다면 1의 크기 노이즈가 모두 신호선과 결합되어 큰 간섭 노이즈가 인가되지만, 그라운드와 커플링을 나누어 갖는 경우라면 1/3크기의 노이즈 간섭으로 작아진다.
(1)-3 그라운드 루프(Ground Loop)
그라운드 루프는(Ground Loop)는 시스템의 그라운드와 더 큰 그라운드가 루프를 이루며 그 안에서 전류가 흐르는 현상을 말한다.
이 때 그라운드 루프에 흐르는 전류는 직접적인 전도에 의한 전류일수도 있고, 근처의 큰 전압의 AC전원선에 의한 전자기장 등에 의해 유도된 전류일 수도 있으며, 루프 경로 역시 직접적인 전도나 큰 부유용량이 형성되어 고주파 전류가 흐르는 경로일 수도 있다.
그라운드 루프는 시스템 간 전위차로 오류를 일으킬 수 있다. 위 그림처럼 시스템 그라운드의 저항과 인덕턴스 성분으로 시스템 사이에 전위차가 생김으로써 노이즈로 작용할 수 있다.
그라운드 루프는 시스템 파손을 일으킬 수 있다.
시스템 내의 그라운드 루프에서는 이로 인해 시스템의 파손을 일으키는 일은 보기 힘들지만, 먼 거리의 다른 시스템과 연동되는 시스템에서는 종종 일어나는 일이다.
그림처럼 그라운드 루프가 먼 거리의 다른 시스템이라 할 때, 이때 발생된 시스템간 전위차가 커질 경우 과전압 또는 과전류로 인해 시스템의 파손을 일으키게 되므로, 특히 이런 시스템의 경우 그라운드 루프 형성은 조심해야 한다.
이를 방지하기 위한 방법으로
오른쪽 그림과 같이 한 시스템에서만 접지하여 그라운드 루프 형성을 맏는 방식.
접지를 할 때 루프 전류 제한을 위하여 접지선에 저항을 사용하기도 하는데, 경험규칙(Rule Of Thumb)으로 전위차가 안전 초전압인 60VDC정도까지 일어날 수 있다고 가정하고 설계.
가장 확실한 방법으로 다른 시스템과의 연결에 대해 절연하는 방식. 왼쪽 그림처럼 절연 소자(아이솔레이터)사용해 전위 완전 분리한다. 대표적인 방식으로 옵토 커플러, 절연 트렌스 등의 소자를 사용해 회로를 설계하는 방식이다.
넓은 전류 루프(Current Loop)는 EMI성능을 열화시킨다.
공기 중으로 방사되는 전자기장 노이즈에 의해 외부에서 들어오는 노이즈의 영향을 받는 EMC, 타기기로 영향을 주는 EMI성능에 대한 열화를 일으킨다. 이는 전류 루프(Current Loop)의 면적에 관련된 것으로 전류 루프(Current Loop)는 전류가 루프를 만들며 흐르는 경로를 의미한다.
위 그림은 전류가 도는 루프가 안테나가 되는데, 이 안테나의 면적이 넓을 수록 더 큰 전자기장 노이즈를 방사한다.
따라서, 이 전류 루프의 면적을 작게 형성해야 하며 넓은 그라운드가 이를 구현할 수 있다.
(2) 접지의 목적 및 종류
접지는 과전압/과전류 노이즈에 대해 감전/화재 및 시스템 보호, 신호의 품질 유지를 위한 노이즈 바이패스 경로 확보 또는 차폐를 목적으로 한다.
신호 접지(Signal Ground, SG)
신호 접지는 전기/전자 시스템 내에서 IC 내부의 작은 그라운드와 PCB의 큰 그라운드의 연결을 의미한다.
PCB설계에서 시스템 내의 작은 디바이스 그라운드와 넓은 시스템 그라운드와의 연결 접지, 신호선과 그라운드와의 강한 커패시턴스 결합을 위한 구성이다.
이는 넓은 그라운드, 작은 전류 루프, 두껍고 짧은 배선에 의한 낮은 저항/임피던스 등으로 PCB 설계를 진행함으로써, 시스템 내에서 낮은 임피던스의 노이즈 바이패스 경로 확보 및 RF 커플링 차폐로 노이즈에 강한 시스템을 설계할 수 있다.
대지 접지(Earth)-안전 접지
시스템에 들어오는 과전압/과전류 노이즈를 대지로 바이패스시켜 인체 감전 및 시스템 파손 방지의 목적으로 케이스 또는 그라운드를 대지로 연결하는 것을 의미한다.
이때 지면(대지)이 노이즈에 대해 낮은 임피던스 경로가 된다.
안전 접지(인체 감전 보호)
고전압 시스템의 도전성있는 케이스가 접지되어 있지 않다면, 장비 케이스의 전위가 대지에 비해 높을 수 있다.
이런 경우 도전성있는 케이스에 인체를 접촉하면 사람의 몸을 타고 대지로 큰 전류가 흐르게 되어 담전의 위험이 있으며, 연결된 시스템이 있다면 다른 시스템까지 파손시킬 수 있다.
대지 접지는 이런 감전사고로부터 보호한다.
인체 저항보다 작은 임피던스(접지저항)로 대지로 연결해 대지로 전류가 우회되게 되어 인체에 흐르는 전류가 작아져 감전 위험에 안전해진다.
샤시(프레임, 케이스)접지(Frame Ground, FG)
샤시 접지는 도전성 있는 케이스를 사용할 경우, 시스템의 그라운드와 샤시(프레임)와 연결하는 접지를 말하는 것으로 프레임 접지, 케이스 접지라고도 한다.
(3) 접지의 방법적 구분
접지 방법들에 사용되는 접지선의 저항과 인덕턴스에 의해 전압 강하와 EMI 성능 열화를 일으킬 수 있으므로, 접지선은 굵고 짧은 배선으로 저항과 인덕턴스를 작게 해야 한다.
(3)-1 단일점 접지
단일점 접지는 시스템 간에 공통으로 한 개의 접지를 하는 방법으로, 직렬 단일점 접지와 병렬 단일점 접지 방법이 있다.
단일점 접지는 그라운드 루프 구성에서 기준 전위 도체(대지)로는 전류 루프가 구성되지 않아 공통 접지에 연결된 장치들에서만 노이즈를 고려하면 되므로, 공통 접지가 아닌 다른 시스템과의 노이즈의 분리 효과가 있다.
하지만, 상대적으로 긴 접지선으로 인한 높은 저항과 인덕턴스로 인해 비교적 높은 전위차가 발생할 수 있고, 특히 높은 주파수에서 긴 접지선이 안테나 역할을 하며 EMI방사가 커질 수 있다.
또한 장점인 노이즈 분리 효과 역시 고주파에서는 다른 시스템과 생기는 커패시턴스 결합으로 인해 효과가 줄게 되므로, 보통은 저주파 시스템에서 사용되는 방식이다.
직렬 단일점 접지
장점 : 접지선을 직렬로 연결함으로써 구성이 간단하다, 단일점 공통 접지에 연결되지 않은 시스쳄으로는 전류 루프가 형성되지 않아 전류가 흐르지 않기에 노이즈 분리 효과가 있다.
단점 : 공통 접지 내의 다른 시스템의 접지 전위도 모두 같이 흔들리게 되는 문제가 있다.
예시, A와 C사이에 전류 루프가 구성된 예
이때 흐르는 전류 I로 인해 시스템 간의 전위차가 발생하는 것도 있지만, 상관없는 시스템이지만 공통 접지에 묶인 시스템 B의 기준 전위도 V = I x Z1만큼 흔들리게 된다.
병렬 단일점 접지
각각의 접지선을 바로 공통 접지선에 연결하는 방식이다.
장점 : 직렬 단일점 접지의 문제인 공통 접지된 시스템에서 루프 전류가 흐르지 않는 시스템의 전위까지 영향을 받는 문제에 대해 보완이 된다.
단점 : 배선이 많아져 접지 구성이 복잡해지고, 비용이 상승된다.
(3)-2 다중점 접지
다중점 접지는 낮은 임피던스의 그라운드에 시스템을 각각 접지시켜, 접지선이 낮은 임피던스를 가질 수 있도록 하는 방식으로 공통 그라운드의 낮은 임피던스와 최소 면적의 전류 루프가 중요하다.
작은 임피던스와 짧은 전류 루프를 가질 수 있어 낮은 전위차와 EMI 방사에 강한 장점을 가진다.
이런 이유로 비교적 높은 주파수 시스템에서 사용되며, PCB 의 그라운드 설계는 대부분 이 방식 사용된다.
이런 목적으로 PCB설계에서는 넓은 면적의 그라운드를 구현해 더 큰 효과를 얻기 위해 4층 이상의 다층 기판 내부 층에 한층 전체를 그라운드 Plane을 두어 구현하는데, 다층 PCB로 구현하기 위한 비용 상승이 발생된다.
(3)-3 혼성 접지와 EMI의 방사
혼성 접지는 주파수 선택적인 접지를 구현하기 위해 사용되는 방법이다.
만약, 고주파 신호에 대해서만 접지를 하고 싶다면 커패시터의 임피던스 Z = 1/ωC이 고주파 일수록 임피던스가 낮아진다는 점을 이용해 커패시턴스로 접지하고, 저주파 신호에 대해서만 접지하고 싶다면 인덕턴스 Z = ωL이 고주파에서 임피던스가 커진다는 점을 이용해 인덕터를 사용해 접지한다.
혼성 접지는 보통 시스템 그라운드를 도전성 케이스에 연결하는 샤시 접지(프레임 접지)에서 많이 사용된다.
왼쪽 그림은 케이스와 직접 결합했을 경우, 시스템 내부에서 자체 발생될 수 있는 큰 스위칭 노이즈는 케이스 또는 접지선이 안테나가 되어 큰 전자파(EMI)를 방사시킬 수 있다. 또는 반대로 외부의 노이즈가 유입될 수도 있다.
오른쪽 그림처럼 저항과 커패시터를 함께 이용한 접지를 하며 이를 혼성 접지라 하고 이런 회로를 RC 네트워크라 한다.
이 RC 네트워크 접지는 시스템 내부의 스위칭 노이즈가 서지/ESD 노이즈보다 낮은 주파수이기 때문에 이 저주파의 스위칭 노이즈는 접지선 또는 케이스로 흐르지 않도록 하고, 시스템 내부로 인입되는서지/ESD와 같은 고주파 노이즈만 커패시터를 통해 대지로 바이패스 할 수 있도록 한다.
(3)-4 혼성 접지 설계의 예
통신 신호선에서 커패시턴스/인덕턴스 결합(Coupling)으로 유기되는 노이즈의 차폐를 위해 외부가 도전체(쉴드)로 감싸진 케이블을 많이 사용하는데, 이를 쉴드(Shield)케이블이라 한다.
만약, 쉴드 케이블의 쉴드 전위를 플로팅해 놓는 다면, 도전성 케이스의 전위를 플로팅해놓는 것과 같이 노이즈에 의해 쉴드 또는 케이스의 전위가 흔들리며, 안테나 역할을 하여 시스템 내부로 노이즈를 전달하게 되거나 EMI방사를 하기 때문에, 대지 접지(Grounding)처리하거나, 시스템의 그라운드와 연결시켜 주어야 노이즈가 차폐된다.
RC 네트워크 접지의 주파수 응답
케이스 또는 쉴드선과 시스템 그라운드를 연결할 때 상황에 따라 직접 연결도 하지만, 안전 문제와 EMI 방사문제, 접지로 부터의 노이즈 유입의 문제로 혼성 접지의 일종인 고주파 통과 필터 RC 네트워크 회로를 많이 사용한다.
내부 노이즈의 외부 방사 방지
주파수 응답을 확인하기 위해 시스템 자체 전압 노이즈 Vnoise와 EMI 방사의 원인이 되는 전류 Iout과의 전달함수를 구해 보면 아래와 같다.
위의 보데선도에서 보듯이 시스템 자체에서 생성되는 저주파 전압 노이즈는 외부로 나갈 수 없고, 인가된 ESD/서지 등의 고주파 노이즈만 외부로 통과시키는 응답특성을 가지는 고주파 통과(High Pass)특성의 회로이다.
저항 R은 커패시터와 연동하여 고주파 통과 필터의 대역폭을 조절하는 역할도 하지만, 커패시터에 충전된 노이즈 전류를 이 저항을 통해 방전 소비하는 안전저항의 역할도 한다.
외부 노이즈 인입 방지
케이스에 유도된 외부 노이즈 I$noise$와 시스템 내로 인입되는 전압 V$IN$에 대한 전달함수는
로 저주파 필터 특성을 갖기 때문에 고주파의 외부 노이즈는 내부 시스템으로 인입이 되지 않도록 하는 역할을 하며, 외부에서 인입될 수 있는 노이즈는 보통 상용 전원 50~60Hz이상의 노이즈이므로 이보다 낮은 차단 주파수로 설계하는 것이 일반적이다.
RC 네트워크 소자의 용량 결정
고전압의 안전 누설 전류 고려
RC 네트워크에는 커패시터를 사용하기 때문에, AC에 대해 누설 전류가 발생될 수 밖에 없다.
따라서 고전압의 AC 전원을 사용하는 시스템의 경우 예를 들어 60Hz 상용 전원에 대한 누설 전류에 신경을 써야 한다.
이때 저항R과 커패시터C의 합성 임피던스에 의한 누설 전류가 안전 규격을 만족할 수 있도록 소자의 용량을 신경 써야 하며, 커패시터는 고장시 쇼트가 날 수 있는 적층 세라믹(MLCC)같은 타입은 절대 사용하지 않도록 한다.
저항은 커패시터가 고장으로 인해 오픈된 경우 누설 전류의 안전 조건을 담당해야 하므로, 이를 고려해 용량 결정한다.
이런 이유로 60Hz 상용 전원에 사용되는 RC 네트워크에는 보통 저항 1MΩ, 커패시턴스 4.7nF의 용량을 많이 사용한다.
저전압의 EMI 방사 고려
저전압의 경우 시스템 내부의 노이즈가 그라운드로 연결된 쉴드(차폐) 케이블 또는 케이스를 통한 EMI 방사에 대한 문제를 고려한다.
특히, 시스템이 DC/DC 스위칭 전원 또는 모터, 릴레이와 같은 인덕턴스의 부하를 사용하고 있다면, 역기전력에 의한 노이즈가 방사의 원인이 되는 경우가 많다.
이런 류의 노이즈는 상대적으로 저주파 노이즈이므로, RC 네트워크는 내부의 저주파 노이즈는 통과할 수 없도록 하고, 고주파 노이즈에 대해서만 통가시키도록 해 EMI 방사에 대비한다.
이런 용도로 저항 330Ω, 커패시터 0.1uF의 용량을 많이 사용한다.
5. 링잉 노이즈의 해석
링잉(Ringing)이란 위 그림처럼 계단(Step)입력에 대한 응답으로 오버슈트 이후 진동하는 출력 신호를 말한다.
RLC 물리량들의 구성인 전기/전자 시스템 선로에서의 오버슈트와 링잉의 원인은 시스템에 생성되는 실제 소자 또는 기생 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의한 LC공진이 원인이 된다.
링잉은 전압/전류의 흔들림, 변화를 의미하여 근처 채널에 전자기장 결합으로 인한 CdV/dt, LdI/dt 크기의 간섭 노이즈를 유기할 수 있고 신호 지연 및 EMI방사를 야기, 전력 손실로 인한 전송 효율 하락, 큰 링잉시 시스템 성능 저하 및 오작동, 시스템 파손시키기도 한다.
(1) RLC 모델링을 통한 링잉 해석
많은 R, L, C 성분을 하나의R, 하나의L, 하나의C로 구성한 모델링 접근법을 집중 정수 회로라 한다.
(1)-1 RLC 모델링의 의의
RLC 성분들로 인해 시스템엔 수많은 공진점이 존재한다.
낮은 공진 주파수와 높은 공진점들을 가지면 낮은 주파수 신호에서도 오버슈트 및 링잉을 유발할 수 있고 주파수를 가지는 외란에 영향을 쉽게 받게 되면서 EMI/EMC 성능에 취약해진다.
고속 주파수 신호로 갈수록 공진 주파수들의 영향은 커진다.
공진관련 자료 : http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/reso.htm
각 부의 공진 주파수들을 높게 하거나, 공진점들의 크기를 낮추어 전체 시스템의 안정성을 강화하는 것이 회로 설계롸 PCB설계 목표이다.
<회로 설계시>낮은 저항, 인덕턴스와 높은 커패시턴스, 넓은 그라운드, 디커필링 커패시터 사용, 신호 라인과 그라운드의 평행배선등의 필요성
(1)-2 RLC 전압 전달함수에 의한 링잉 해석
오버슈트와 링잉 발생, 선로의 위치, 없애는 방법 등의 정량적 해석 방법 필요하지만 어렵다.
정량적 해석을 위해 RLC 집중 정수 회로의 해석이 필요하다.
전력/전압/전류에 대한 보호를 위한 최대 오버슈트 및 링잉의 크기 제한이 필요하다.
RLC 전달함수의 감쇠비(ζ)를 통한 공진이 일어나는 조건과 해석방법에 대해 알아본다.
감쇠비 ζ와 시간 영역의 오버슈트와 링잉 관계
감쇠비 ζ와 주파수 영역의 공진점 크기 관계
감쇠비 ζ와 안정성의 위상마진과의 관계
=> 감쇠비 ζ의 제어를 통해 오버슈트 및 링잉의 크기 제한을 할 수 있다.
전압 신호 시스템의 RLC 회로 모델링
디지털 신호의 구성은 선로의 R, L 성분과 선로의 부유용량과 입력부의 기생 용량을 합친 커패시턴스를 C로 구성할 수 있다.
전압에 대한 전달함수
3-49에서 디지털 전압 신호 전달 시스템의 입력 임피던스 RL은 무한대로 가정하면 RL은 제거하여 근사 가능하므로, 위처럼 모델링하여 전달함수를 구한다.
DC이득은 s = 0을 넣으면 1이 되니, DC 전압은 그대로 출력된다.
2차 시스템의 표준 형식과 비교
2차 시스템의 표준 형식
위의 전달함수 H(s)를 2차 표준 형식에 맞추어 위와 같이 공진 주파수 ωn과 감쇠비(Damping Ratio) ζ(Zeta, 제타)를 구할 수 있다.
RLC 전달함수의 해석
시간 영역에서의 해석
ζ가 0.707이하의 경우 공진점이 형성되어 오버슈트와 링잉이 함께 발생된다.
감쇠비가 작아 오버슈트 및 링잉이 발생하는 시스템을 댐핑(Damping)이 부족한 시스템이라 표현한다.
설계에서 감쇠비 ζ는 빠른 응답 속도가 필요한 공격적인 설계의 경우 0.707, 안정성과 무난한 응답 속도를 요하는 경우에는 1.0을 목표로 설계한다.
<Trade off> 감쇠비가 작아지면, 주파수 영역의 공진점의 크기가 커지고, 위상 마진이 작아져 안정성은 저하되고, 오버슈트 및 링잉이 커진다.
감쇠비와(Damping Ratio) ζ와 안정성(Stability) 관계 안정성(Stability) ∝ζ 오버슈트(Overshoot) 크기 ∝ 1/ζ
감쇠비(Damping Ratio) ζ와 응답 속도 감쇠비 ζ가 커질수록 시스템은 안정적, 상승시간은 느려진다. 상승 시간(Rising Time) ∝ζ
전압 신호 전달 시스템에서의 감쇠비
디지털 신호 시스템에서 안정성을 키우기 위해 선로 저항 R을 크게, 커패스턴스 C를 크게, 선로 인덕턴스 L을 작게하는 방법이 있을 수 있다.
이 중 저항 R을 크게 하는 방법은 전기/전자 시스템에서 전력 손실과 전압 강하 뿐 아니라 신호 지연 일으켜 오동작 및 효율을 저하시킬 수 있다.
주파수 영역에서의 해석
퓨리에 급수에서 구형파는 홀수의 주파수마다 각각의 크기를 결정하는 일정한 기울기(-20dB/Decade)로 작아지는 정현파들의 합으로 구성된다.
만약, 이 구성 고조파 성분들 중 특정 주파수 신호 성분에서 갑자기 크기가 커지거나 작아지면 오버슈트나 링잉의 원인이 된다.
특정 주파수(공진 주파수)에서 이득(Gain)이 커진다는 것은 입력 구형파 신호의 고조파 성분들이 고주파로 갈수록 -20dB/Decade로 크기가 작아지는 경향을 불균일하게 만들게 되고 이는 특정 주파수 성분의 크기가 커짐을 의미한다.
특정 주파수 성분은 결국 시간 영역에서 그 주파수로의 링잉으로 보이게 된다.
공진 주파수 ωn의 영향
RLC 직렬 회로의 공진 주파수
구형파는 수많은 고조파 정현파들의 합이 되며, 고주파가 될수록 고조파 정현파의 크기가 작아진다.
시스템의 공진 주파수를 매우 높게 하면, 구형파 입장에서 고주파 구성 성분 중 아주 작은 크기의 정현파 신호가 공진점의 증폭으로 높아진다고 해도 전체적인 신호 입장에서 받는 영향을 미미하게 되어 링잉의 크기가 작아지게 된다.
앞의 2차 보데선도에서 보이는 것과 같이 공진 주파수까지는 이득의 감쇠가 없어, 공진 주파수가 커지면 -3dB까지인 대역폭이 넓어지며 상승 속도도 증가하게 된다.
이런 이유에서 감쇠비 ζ를 키우고, 공진 주파수 ωn을 높이기 위해 선로의 인덕턴스 값은 낮아야 한다.
(1)-3 RLC 전류 전달함수에 의한 링잉 해석
전압에 대한 링잉이 없다고 전류에 대한 링잉도 없는가?의 관점에서 보기
시간 함수로의 해석
전달함수
계단신호 입력 시 시간응답
위 응답 파형으로 전압에 대한 오버슈트와 링잉은 없지만, 출력 전류 Iout에 대한 오버슈트가 저항 R에 의존적으로 발생하게 된다.
주파수 영역 해석
위의 보데선도에서 분모항은 전압 전달함수와 같고, 전압에 대한 링잉이 없는(공진점이 없는) 주파수 응답 선도로 표시했다.
이 디지털 회로는 정상상태의 DC전류가 0이기에, 전류 전달함수에 이득이 조금이라도 있으면 전류의 오버슈트는 막을 수 없다.
(정상상태 s-> ∞)
즉, C가 엄청 작아 0에 가깝거나, R이 무한대로 커서 이득이 -∞가 되어야 하지만, 실제로 그럴 수 없기에 전류의 오버슈트는 발생할 수밖에 없다.
(2) 전송선로 이론을 통한 링잉 해석
전송선로(Transmission Line)는 전기 에너지를 전달하기 위한 선로를 의미하는데, 일반적으로 전류의 방향이 반대인 평행선로를 말하며, 전원선과 그라운드 선, 싱글 엔디드 신호선과 그라운드 선, 차동 통신에서의 신호 페어(Pair)선 등의 관계로 볼 수 있다.
전송선로에서 사용되는 분포 정수 회로(Distributed Constant Circuit) 해석은 선로에 RLC 성분들이 분포되어 존재하는 것이라 모델링해 해석하는 방식을 의미, 선로의 임피던스 편차에 따른 반사파 개념으로 해석하는 방법이다.
(2)-1 선로의 RLC 전달함수 해석의 한계
저항성분 없는 무손실 선로
신호 입력을 받는 입장에서 위 Vout 파형과 같이 링잉이 없는 신호로 해석된다.
하지만, 선로 중간 링잉 노이즈는 전자파 방사의 원인이 될 수 있고 전력 손실로 이어져 효율이 떨어질 수 있다.
(2)-2 반사파(Reflective Wave)와 링잉
전기 신호는 선로 상의 모든 구간의 전압이 한 순간 동시에 변동되는 것이 아니라, 그림처럼 시간에 따른 전압과 전류 파장의 이동으로 상대에 전달된다.
임피던스 부정합 선로에서 반사되어 돌아온 반사파는 원래 진행하던 진행파와 결합하여 신호의 왜곡과 지연을 만들고, 이는 링잉으로 나타난다.
(2)-3 전송선로(Transmission Line)와 특성 임피던스(Characteristic Impedance)
전송선로(Transmission Line)의 미소구간 임피던스는 특성 임피던스라는 Ω단위를 사용한다.
특성 임피던스(Characteristic Inpedance, Zo)는 파장의 개념으로 접근되며, 진행 파장이 공간적으로 L과 C를 지나며 이동을 하게 될 때, 전송선로의 한 점에서의 전압파(Vo)와 전류파(Io)의 비를 말하며, 매칭된 전송선로 상의 모든 점에서 균일하다.
저항성분이 없는 무손실 전송선로 특성 임피던스
선로의 특성 임피던스 = 미소구간 특성 임피던스1 = 미소구간 특성 임피던스2 = sqrt(L/C)와 같이 전송선로는 모든 구간 같은 특성 임피던스를 가진다.
전송선로란 고주파 신호를 전송하기 위해 모든 구간 임피던스가 일정하게 만들어진 임피던스 매칭된 선로로 정의하며 이는 특성 임피던스라는 단위를 통해 약속된다.
(2)-4 임피던스 매칭(Matching, 정합) 개념
반사파는 임피던스가 변화되는 지점에서 발생하므로, 소스의 출력 임피던스와 신호선의 임피던스(특성 임피던스), 부하의 입력 임피던스를 모두 동일히 두면 반사파가 없어 링잉 노이즈가 없으며 전력 손실이 없는 최대 전력을 전송할 수 있다.
이를 임피던스가 매칭되었다고 한다.
임피던스 매칭을 통해 주파수에 따른 위상이 있는 성분인 허수 부분을 없앰으로써 진동을 없애고, DC 성분만 남도록 하는 의미라고도 볼 수 있다.
반사계수(Reflction Coefficient)와 최대 전력 전달
반사계수 γ (Gamma)는 임피던스 편차에 의해 신호가 얼마나 반사가 일어나는가를 의미하는 단위이며 입력량 대비 반사량의 비로 정의된다.
반사계수의 값이 작을수록 반사파가 작다는 의미이며, 이 반사파로 손실되는 전력을 리턴 로스(Return Loss)라 한다.
특성 임피던스 Zo = Ro, ZL = RL이라 한다면, RL에 걸리는 전력PL은 위와 같다.
부하 전력 PL이 최대가 되는 RL을 찾기 위해 PL을 RL에 대해 미분하여 0이되는 RL을 구한다.
이를 풀면 RL = Ro 일 때가 되는데, 이는 선로의 임피던스와 부하(로드)의 임피던스를 동일히 매칭했을 때 최대 전력이 전송됨을 알 수 있다.
임피던스 매칭과 RLC 전달함수 해석 관계
감쇠비(Damping Ratio) ζ가 0.707이라는 값은, 주파수 영역의 공진점이 형성되지 않는 경계로 링잉이 없는 경계이며, 링잉이 없는 최상의 응답 속도를 보이는 지점이다.
(3) 전송선로 판단 기준
임피던스 매칭이 필요한 선로를 볼 것이다.
(3)-1 전송선로의 임피던스 매칭
각각의 임피던스가 모두 동일해야 한다.
(4) 임피던스 매칭 방법
[시스템 PCB보드에서의 임피던스 매칭 방법]
집중 정수 소자인 저항, 인덕터, 커패시터 소자들을 이용하는 방법. 1. 무손실 매칭 : LC필터, 비드 사용 2. 손실 매칭 : R 사용
PCB 스택업 구조에 다라 분산 정수 방식의 PCB의 패턴의 넓이를 계산해 선로의 특성 임피던스를 매칭시키는 방식. : 패턴의 임피던스 매칭은 2층 이하 PCB 기판이나 저주파 신호에서는 배선의 넓이가 너무 커져야 하는 등 제약이 있어 주로 4층 이사의 다층 기반의 고주파에서 사용한다.
(4)-1 직렬 저항(Series Rsistor)
소스의 출력단(Driver)에 가까이 직렬 저항을 삽입해 링잉을 줄이는 방법으로 부하(Load)의 입력 임피던스가 매우 높아 전류 소비가 거의 없는 신호에서 간단하기에 많이 사용되는 방법이다.
부하 임히던스가 낮아 전류 소비가 있는 경우, 이 직렬 저항으로 인한 전력 손실과 신호 전압의 분압, 신호 지연 등이 발생할 수 있어 조심해야 하며, 이런 이유로 저주파에서는 손실이 없는 인덕턴스, 고주파에서는 노이즈를 소모하는 저항 역할을 하는 페라이트 비드를 사용하기도 한다.
(4)-2 병렬 저항(종단 저항, Terminator)
부하의 입력단에 저항을 병렬로 삽입하는 방법으로, 저항으로 인한 전력 손실과 신호 전압이 출력 임피던스, 선로의 저항과 분압되어 전압 레벨이 낮아질 수 있다는 단점이 있다.
높은 임피던스의 부하단에 상대적 낮은 병렬 저항을 장착해 부하단의 입력 임피던스를 선로의 임피던스로 낮추어 임피던스 매칭을 하는 효과를 보인다.
(4)-2 PCB 패턴의 임피던스 매칭
PCB 패턴도 전송선로로 보고 해당 특성 임피던스에 맞도록 배선의 폭을 결정하여 설계하는 것, 즉 입/출력 임피던스와 동일하고 균일한 임피던스가 될 수 있도록 패턴을 설계하는 것을 의미한다.
6. 부하의 종류와 노이즈
전기/전자 시스템에서 시스템의 전기 신호를 받아 전력을 소비하는 회로 또는 소자를 부하(Load)라고 한다.
(1) 저항성 부하
저항성 부하(Resistive Load)는 전류의 소비만 있을 뿐 AC 전압/전류에도 위상 변이가 없는 부하를 의미하므로, 링잉 노이즈가 없는 것이 특징이다.
고속 제어에서는 기생 커패시턴스/인덕턴스 성분을 고려해야 하지만, 저주파에서는 아주 작은 기생 성분으로 무시할 수 있으므로 순수 저항성 부하로 간주해 소자의 정격전압/전류/전력만 고려하여 선정할 수 있다.
(2) 인덕턴스 부하
인덕턴스 부하(Inductive Load)는 인덕턴스의 성질(코일)을 가지는 부하이다.
인덕턴스 부하의 역기전력
인덕턴스 부하에서 가장 크게 발생되는 노이즈는 역기전력이다.
이 역기전력은 전류가 흐르다 멈추는 OFF 순간에 인덕턴스의 성질에 의해 V = Ldi/dt크기의 노이즈 전압이 생성된다.
역기전력은 스위칭의 속도, 정상 상태의 전류의 크기에 비례하는 것으로 수 KV이상으로 생성될 수도 있기에 스위칭 소자 파손의 주요 원인이 된다.
인덕턴스 부하의 역기전력 제거
인덕턴스 부하를 제어할 때 발생되는 역기전력의 제거 회로는 인덕턴스 부하에 저장되어 있는 자기 에너지를 소비시키는 것이다.
제거 방법으로 스너버 회로 또는 Flywheel 다이오드를 사용하는 방법이 있으며, 수 ms 안에 정상 상태 입력 전압의 30~50% 이하로 클리핑(Clipping)하는 것을 목표로 한다.
역기전력 제거 회로에서 역기전력의 발생 부분과 맞닿는 제어 소자들은 적어도 동작 전압의 5배~10배 이상의 정격 전압 혹은 최대 전압을 가지는 소자를 사용, 정격 전류는 정상 동작 전류의 2~3배 이상을 가지는 소자로 선택한다.
Flywheel 다이오드로 제거
Flywheel 다이오드를 사용해 DC전원으로 제어되는 코일의 역기전력을 제거하는 방법을 사용한다.
트렌지스터 OFF시 역기전력 노이즈는 코일과 Flywheel 다이오드에 흐르며 소모되므로, 이런 노이즈의 전류 루프를 최대한 작게 해야 EMI 방사 및 누화를 줄일 수 있다.
또한 스위칭 제어에 사용되는 Flywheel 다이오드는 다음 스위칭 동작을 위해 역회복 시간이 짧은 Fast Recovery 형태의 다이오드를 사용해야 한다.
[단점]
코일에 저장된 자기 에너지의 역기전력을 코일의 낮은 저항과 다이오드 전압으로 제거해야해 속도가 느리다.
DCDC컨버터의 경우 빠른 스위칭 속도를 요해 코일의 에너지 방전이 모두 되지 않는 상태에서 큰 노이즈 초래를 야기한다.
AC의 경우 사용할 수 없다.
RC 스너버(Snubber)로 제거
저항 R과 커패시터 C를 사용한 RC 스너버 회로를 사용해 역기전력에 대응 가능하다.
왼쪽은 RC 스너버를 사용해 스위칭 소자를 보호하는 용도이며, 오른쪽 릴레이 접점이 떨어지는 순간 일어나는 스파크로 인해, 접점이 녹아 붙어 버리거나 릴레이의 Lifetime이 줄어드는 것으로부터 보호하기 위한 용도이다.
(모터와 같은 인덕턴스 부하를 구동할 때 더 크게 발생된다.)
(3) 커패시턴스 부하
커패시턴스 또는 용량성 부하(Capacitive Load)는 큰 커패시턴스를 가지는 부하를 말한다.
전원 라인의 저항은 전압 강하, 전력 손실 등의 이유로 무척 작게 설계하기 때문에, 커패시턴스 부하만 고려하면 전원 ON시 커패시턴스의 성질에 의한 I = CdV/dt 만큼 큰 돌입 전류(Inrush Current)가 흐를 수 있어 정상 상태 동작 전류의 10배 이상 많게는 30배 이상까지도 돌입 전류가 발생해 대책을 세워야 한다.
GPIO 출력에 저항 없이 바로 커패시터 C를 직접 연결해 제어하는 경우 순간 과전류가 흐를 수 있으므로, 빈번하지 않은 ON/OFF의 스위칭 동작에 한하여만 사용해 용량 0.1uF 이상은 달지 말아야 한다.
커패시턴스 부하의 돌입 전류(Inrush Current)
전원에서의 돌입 전류(Inrush Current)는 초기 전원을 인가 후 약 200~300ms이내 일시적으로 시스템이 소비하는 높은 소모 전류를 말한다.
돌입 전류는 커패시턴스 부하 또는 인덕턴스 부하에서 발생될 수 있는데, 특히 전원 회로에 사용된 높은 용량의 커패시터로 인한 경우가 많다.
이로 인해 전원의 전류 부족을 유발해 순간적인 전압 강하를 일으키거나, 제어기의 발진, 심한 경우 소자의 파손을 유발할 수 있다.
동작 전류의 30~50%이하로 제한하는 것을 목표로 한다.
즉, 동작 전류의 1.3~1.5배가 넘어가지 않도록 한다.
커패시턴스에서 돌입 전류를 제한하는 기본 방법에는 서서히 전압을 올려 전압 변화량을 줄여 I = CdV/dt 전류의 양을 제한하는 소프트 스타트(Soft Start) 방식이 있다.
NTC를 이용한 전류 제한
전원라인에 직렬로 이용
NTC(Negative Temperature Coefficient of resistance)는 온도가 올라갈수록 저항 용량이 낮아지는 센서 소자로 온도 측정에 사용된다.
처음 전원을 ON 했을 때는 온도가 낮아 NTC는 높은 저항 용량을 가지고 전류를 제한해, 전류가 NTC에 흐르기 시작하면 온도가 상승하며 NTC저항 용량은 서서히 줄어 전류도 증가한다.
[단점]
NTC는 반응 속도가 느리고 주위 온도의 영향을 받는다.
정상 상태가 되어 전류가 흐르는 순간에도 NTC 저항으로 인한 전압 강하와 전력 손실이 일어난다.
PMOS를 이용한 전류 제한
전원 ON시 천천히 전압을 증가시켜 전압 기울기를 제어하는 방식인 소프트 스타트(Soft Start)방식이 사용된다.
PMOS를 사용해 초기 입력 전류의 양을 제한하는 회로이다.
전류의 제한은 R2와 C1의 시정수에 의해 전원의 상승 시간 지연이 제어된다.
R1과 R2의 분압에 의해 PMOS의 게이트 전압이 결정되는데, 이 게이트 전압은 PMOS가 TURN ON될 수 있는 조건이어야 하며, 이 Vsg전압이 PMOS의 최대 Vsg전압을 넘지 않도록 한다.
위 처럼 최소 1.6배 이상의 마진을 두고 선정하도록 한다.
저항 R1은 전원 OFF시 C1에 충전되어 있는 전하의 방전 역할도 한다.(보통 R1은 47KΩ이하의 용량 많이 사용)
[설계]
저항 R1의 용량을 임의로 결정
저항 R2의 용량을 계산
커패시터 C1을 조절해 돌입 전류의 양을 정상 동작 전류의 1.3배 이하가 되도록 튜닝한다.
