전자 장치에서는 일반적으로 AC 입력 라인에 필터가 존재한다. 스위칭 전원을 포함하는 전자 기기에 있어서, 전자기 간섭(EMI)의 주요 원천은 전원 장치 자체이기 때문이다. EMI의 원천은 다양하며, 번개와 지구 자기장과 같은 자연 현상뿐 아니라 모터, 무선 주파수(RF) 기술, 디지털/아날로그 신호 등 인위적인 원천도 간섭을 유발할 수 있다. 필터는 이러한 간섭 신호가 장치 외부로 방출되거나 주변의 다른 전자 장비에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 필수적인 구성 요소이다. 본 문서에서는 전자기 간섭의 원인과 이에 대응하기 위한 대책을 살펴본다.
1- 간섭 신호의 유형과 그 발생
전자 장치에서 노이즈란 장치 내부의 원하지 않는 전기적 신호를 의미한다. 이러한 신호는 피할 수 없는 전압 또는 전류의 교란이다. 간섭이 과도할 경우 다음과 같은 현상이 발생할 수 있다.
① 청취하려는 오디오와 관련 없는 라디오나 멀티미디어 장치에서 잡음이 들리는 현상.
② 원본 콘텐츠를 넘어서 텔레비전 화면에 왜곡되거나 혼잡한 영상이 표시되는 현상.
③ 디지털 장치가 잘못 시작되거나 정상적으로 작동하지 못하는 현상.
④ 통신 장비가 정상적인 신호를 송신할 수 없는 현상.
⑤ 전자 장치의 올바른 작동을 방해하는 기타 영향.
이러한 이유로 각국 및 지역은 전자 장비에 대해 상응하는 요구사항과 규정을 마련하여, 이러한 장치에서 발생하는 간섭 신호가 일정 한계를 초과하지 않도록 규정하고 있다. 제조업체는 자사 제품에서 발생하는 EMI를 이 지정된 한계 이내로 통제할 의무가 있다.
최근 몇 년간 전자 장치들은 디지털 및 스위칭 기술을 널리 채택해 왔습니다. 제품이 이러한 기술을 사용하는 한, 필연적으로 EMI 신호를 발생하게 됩니다. 필터를 사용하는 것은 이러한 간섭을 규제된 한도 내에 유지하는 효과적인 방법입니다. 간섭 허용 한계는 국가 또는 지역에 따라 다를 수 있으므로 필요한 필터의 특성 또한 달라질 수 있습니다. 아래 이미지는 산업용 장비에 외부에서 사용하는 전원 라인 필터와 전원 공급 장치 내부에 탑재되는 내부 필터(공통 모드 코일, 차동 모드 코일)의 예시입니다.
그림 1 (좌측): 외부용 산업용 전원 라인 필터
그림 2 (우측): 내부 스위칭 전원 공급 장치 필터 (공통 모드 코일)
스위칭 전원 공급 장치에서 스위칭 트랜지스터, 고주파 정류 다이오드 및 스위칭 변압기는 더 높은 수준의 간섭을 발생시킨다. 스위칭 전원 공급 장치 내부의 작동 파형은 일반적으로 사각파 또는 삼각파(기본 파형)이다. 이러한 파형들은 기본 주파수의 정수 배에 해당하는 고주파 성분을 포함하고 있다. 이러한 고주파 파형이 외부로 전파될 때 간섭 신호가 된다.
게다가, 트랜지스터의 스위칭 속도는 매우 빠릅니다. 예를 들어, 12V에서 2A의 전류가 약 300kHz의 주파수로 켜지거나 꺼질 수 있습니다. 아래 다이어그램에서 보듯이, 스위칭 전이 상태 동안 전류 변화율(di/dt)은 매우 큽니다. 인덕터 코일뿐 아니라 인쇄 회로 기판(PCB) 상의 기생 인덕턴스에도 인덕턴스가 존재하므로, 이러한 급격한 전류 변화는 주변 환경이나 다른 전자 부품에 간섭을 일으키는 전압 신호를 발생시킬 수 있습니다. 이러한 간섭 신호는 PCB 배선을 따라 전도되는 것뿐만 아니라 전자기파와 전선을 통해 외부로 방사되기도 합니다. 이 EMI의 주파수는 고정되어 있지 않으며, 하나의 스위칭 사이클 내에서도 다양한 di/dt 성분들이 존재하여 생성되는 간섭 전압의 주파수 스펙트럼이 넓게 분포됩니다.
그림 3: 등가 회로 모델
그림 4: 간섭 전압 신호 모델
그림 5: 간섭 전압 신호
그림 6: 간섭 전류 신호
그림 7: 다이오드 차단 시 단락 전류 모델
스위칭 전원 공급 장치에 국한되지 않으며, 전압/전류 경로를 기준으로 전자 장치 내에서 간섭이 발생하는 위치를 일반적으로 구분할 수 있다. 아래 다이어그램과 같이 차동 모드와 공통 모드에서 발생하는 간섭은 각각 차동 모드 간섭과 공통 모드 간섭이라 한다.
그림 8: 간섭 신호 모델 도표
AC 전원 케이블의 선 사이, 또는 DC 출력의 양극과 음극 단자 사이에 나타나는 간섭은 차동 모드 간섭(differential mode interference)입니다. 반면, 공통 모드 간섭(common mode interference)이란 회로 내 임의의 선과 접지선(즉, 대지 기준) 사이에서 발생하는 간섭 신호 성분을 의미합니다. 전력 회로에서 발생하는 간섭은 거의 항상 처음에는 차동 모드 형태입니다. 그러나 이 차동 모드 신호가 다른 회로로 전파되면서 전자기적 또는 정전기적 영향에 의해 대지에 대한 임피던스 균형이 깨질 수 있으며, 그 결과 공통 모드 신호로 변환될 수 있습니다. 결국, 상당 부분의 간섭이 공통 모드 형태가 됩니다.
또한 자연 환경에서 장비로 유입되는 외부 간섭 신호는 거의 항상 지구(접지)와 관련되어 발생하기 때문에 일반적으로 공통 모드(Common Mode)입니다. 더불어 공통 모드 간섭이 회로에 유입될 경우 다양한 조건과 소자의 영향에 의해 차동 모드(Differential Mode) 간섭으로 변환될 수도 있으며, 이는 회로의 작동에 직접적이고 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
전자 장치나 전력 회로에서는 성질상 전혀 다른 공통 모드 및 차동 모드 간섭 모두에 대해 고려하고 대책을 마련하는 것이 필요합니다.
2- 전자기 간섭 대책
간섭 신호의 전파 측면에서 간섭은 일반적으로 전도성 간섭과 방사성 간섭으로 크게 구분할 수 있다. 간섭 신호의 유형 측면에서는 공통 모드 간섭과 차동 모드 간섭으로 나눌 수 있다. 간섭 신호를 억제하는 데는 두 가지 주요 접근 방법이 있다.
① 간섭 신호의 발생을 방지하는 것.
② 간섭 신호의 전파를 차단하거나 흡수, 제거하는 것.
현대 전자 장치는 주로 스위칭 전원 공급 장치와 디지털 기술을 사용한다. 이러한 기술을 사용하는 장치는 불가피하게 간섭 신호를 발생시키며, 기술적 개선만으로는 억제하기 어렵다. 현재 대부분의 해결책은 간섭 신호의 전파를 차단하거나 완화하는 데 초점을 맞추고 있다.
2.1 공통 모드 인덕터, 차동 모드 인덕터, X 캐패시터 및 Y 캐패시터를 결합하여 간섭 신호의 전도를 차단(흡수 또는 제거)하는 데 수동 부품을 사용합니다.
2.2 페라이트 비드 또는 자기 차폐 구조가 있는 파워 인덕터를 사용하여 방사 간섭 신호가 외부로 전파되는 것을 방지합니다.
전도성 EMI 문제를 해결하기 위해 Codaca 신호 라인용 공통 모드 인덕터(SPRHS 시리즈, CSTP 시리즈, VSTCB 시리즈 등), 전원 라인용 공통 모드 인덕터(TCB 시리즈, SQH 시리즈, TCMB 시리즈), 차동 모드 인덕터(SPRH 시리즈, PRD 시리즈 및 기타 차동 모드 인덕터로 사용 가능한 다른 파워 인덕터) 시리즈를 제공합니다. 이러한 공통 모드 및 차동 모드 인덕터는 전자 장치가 외부 전자기 간섭에 저항할 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라 장치 내부에서 발생하는 EMI의 방출을 방지하는 데도 기여합니다.
간섭 억제의 효과는 인덕터의 임피던스와 밀접한 관련이 있습니다. 자세한 내용은 다음의 사양 표와 주파수 특성 그래프를 참조하십시오.
표 1: 코다카 공통 모드 코일 특성 테이블
참고: 이 표에는 일부 인덕터 모델만 수록되어 있습니다. 더 많은 정보는 코다카 공식 웹사이트를 방문해 주세요.
그림 9: 신호선 공통 모드 코일의 임피던스-주파수 특성 그래프
그림 10: 전원선 공통 모드 코일의 임피던스-주파수 특성 그래프
방사형 EMI 해결을 위해 페라이트 비드를 사용할 수 있습니다. RF 및 발진기 회로와 같은 일부 고주파 회로에서는 전원 입력부에 페라이트 비드를 추가해야 합니다. 코다카는 RHD, RHV, SMB, UUN 시리즈 등 다양한 페라이트 비드 제품군을 제공합니다.
표 2: 페라이트 비드 특성 표
참고: 이 표에는 일부 모델만 수록되어 있습니다. 더 많은 정보는 코다카 공식 웹사이트를 방문해 주세요.
앞서 언급한 바와 같이, 자기 차폐된 전력 인덕터는 방사 간섭의 전파를 차단할 수도 있습니다. 방사형 EMI의 경우, Codaca는 몰드형 인덕터, 고전류 인덕터, 디지털 앰프 인덕터 및 칩 인덕터를 포함한 일련의 자기 차폐 부품을 제공합니다. 이러한 전력 인덕터는 스위칭 전원 공급 장치의 전원 라인에 사용할 수 있습니다. 자기 차폐 구조는 인덕터에서 발생하는 간섭이 외부로 방사되는 것을 효과적으로 방지할 뿐만 아니라 외부의 방사 간섭으로부터 인덕터를 보호합니다. 이러한 차폐 인덕터는 신호 및 전원 라인의 차동 모드 간섭 해결에도 사용됩니다.
표 3: 자기 차폐 인덕터 특성 표
참고: 이 표에는 일부 모델만 수록되어 있습니다. 더 많은 정보는 코다카 공식 웹사이트를 방문해 주세요.
그림 11: VSHB0421-4R7MC의 온도 상승 및 포화 전류 곡선, 인덕턴스-주파수 및 임피던스-주파수 특성
3- 결론
전자 제품의 통합과 복잡성이 증가함에 따라, 이들이 작동하는 EMI/EMC 환경도 중대한 과제에 직면해 있습니다. 전자 장치가 EMI/EMC 문제를 해결하는 데 도움을 주기 위해 Codaca는 다양한 시리즈의 표준화된 신호선 공통 모드 코일 , 전원 라인 공통 모드 초크 s , 차동 모드 코일, 페라이트 비드 , 그리고 다양한 자기 차폐 전원 인덕터 를 개발했습니다. 엔지니어들은 전원 회로 설계의 특정 요구 사항에 따라 Codaca에서 적합한 표준화된 공통 모드 코일, 차동 모드 코일 또는 전원 인덕터를 선택할 수 있습니다.
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