EMI와 EMC: 잡음을 만드는 회로와 견디는 회로를 함께 설계하기
전자파간섭 EMI는 의도하지 않은 전자기 결합이 다른 회로나 장치의 동작을 방해하는 현상이다. 전자파적합성 EMC는 장치가 주어진 전자기 환경에서 필요한 기능을 유지하면서 주변에도 과도한 간섭을 주지 않는 능력이다. 그래서 EMC에는 밖으로 내보내는 방출과 외부 교란을 견디는 내성이 함께 들어간다. 출력 파형이 깨끗해 보이거나 보드가 단독으로 정상 동작하는 사실만으로 두 조건을 모두 만족했다고 판단할 수는 없다.
발생원, 결합 경로, 피해 회로를 나누어 본다
간섭에는 에너지를 만드는 발생원과 그것이 전달되는 경로, 영향을 받는 회로가 필요하다. 스위칭 전원의 빠른 전압·전류 변화나 디지털 에지가 발생원이 될 수 있다. 전원 케이블과 공통 임피던스를 따라 전달되면 전도성 경로가 되고, 전자기장을 통해 결합하면 방사성 경로가 된다. 같은 구조에서도 케이블로 흘러나온 전류가 다시 안테나처럼 방사할 수 있어 두 종류가 완전히 독립된 현상은 아니다.
전기장 결합을 단순한 기생 커패시터 C로 모델링하면 i=C·dv/dt다. 10pF의 기생 용량에 10ns 동안 10V가 변하면 약 10mA의 순간 전류가 흐를 수 있다. 여기서 pF는 10^−12F다. 작아 보이는 용량도 변화가 빠르면 의미 있는 전류 경로가 된다. 자기장 결합은 상호 인덕턴스 M을 통해 vind=M·di/dt로 근사할 수 있다. M=2nH이고 10ns 동안 전류가 0.2A 변하면 약 40mV의 유도 전압이 된다. 이는 특정 결합 모델의 예이며 실제 값은 배치와 주파수에 따라 달라진다.
차동 모드와 공통 모드는 필요한 대책이 다르다
두 전원선에서 차동 모드 잡음 전류는 한 선으로 나가 다른 선으로 돌아오는 성분이다. 공통 모드 성분은 두 선에서 같은 방향으로 흐르고 섀시나 주변 구조의 기생 경로를 통해 귀환한다. 같은 기준으로 측정한 두 선의 전압을 V1, V2라고 하면 Vcm=(V1+V2)/2, Vdm=(V1−V2)/2라는 분해를 사용할 수 있다. 이 식의 정규화와 측정 기준을 명시해야 필터 전후의 수치를 일관되게 비교할 수 있다.
선간 커패시터와 적절한 차동 필터는 차동 성분에 효과적일 수 있지만, 공통 모드 전류의 실제 귀환 경로까지 저절로 차단하지는 않는다. 공통 모드 초크는 두 선의 같은 방향 전류가 만드는 자기장을 더하는 방식으로 그 성분에 큰 임피던스를 제공한다. 반대 방향의 정상 차동 전류는 자기장이 상쇄되는 이상적인 구조지만, 누설 인덕턴스와 기생 용량 때문에 실제 동작은 주파수에 의존한다. 잡음 모드를 모르고 부품을 늘리면 크기와 비용만 증가할 수 있다.
레이아웃은 발생하는 에너지와 결합을 동시에 바꾼다
빠르게 변하는 전류의 왕복 루프를 작게 만들면 루프 인덕턴스와 자기장 결합을 줄일 수 있다. 높은 dv/dt를 갖는 스위치 노드의 면적을 불필요하게 넓히면 주변과의 기생 용량이 커질 수 있으므로 민감한 신호선과 떨어뜨린다. 연속된 리턴 평면과 가까운 디커플링은 고주파 전류가 보드 밖의 넓은 경로로 흐르는 정도를 줄이는 데 도움이 된다. 차폐도 도전성 판을 추가하는 것만으로 끝나지 않는다. 이음새와 개구부, 케이블 접속, 차폐 전류의 귀환 연결이 실제 효과를 결정한다.
에지를 느리게 만들면 고주파 성분을 줄일 수 있지만 스위칭 손실이나 타이밍 여유가 나빠질 수 있다. 필터를 추가하면 전원이나 신호의 정상 동작을 해치지 않는지도 확인해야 한다. 전원 입력 필터의 임피던스와 제어 루프의 상호작용, 신호 필터의 지연처럼 대책 자체가 새로운 제약을 만든다. 내성 시험에서 필요한 보호 회로는 들어오는 전류를 민감한 회로를 통과시키지 않고 적절한 경로로 우회시키는 구조가 중요하다.
전도성 잡음 측정에는 알려진 임피던스를 제공하는 LISN과 수신기 등을 사용하고, 방사 측정에는 정해진 배치와 안테나 조건이 필요하다. 전압 단위 dBµV는 20log10(V/1µV)이므로 1mV는 60dBµV다. 같은 전압의 진폭을 절반으로 줄이면 약 6dB 낮아지지만, 서로 다른 대역폭과 검파 방식의 결과를 그대로 비교할 수는 없다. 근접장 프로브는 발생 위치를 찾는 데 유용하나 최종 시험의 모든 조건을 대신하지는 않는다. EMC는 신호 파형, 전류 경로, 외부 연결, 측정 조건을 함께 다루는 시스템 문제다.