PCB 설계자를 위한 EMI 및 EMC 준수 101

EMI와 EMC는 PCB 설계자가 중요한 역할을 하는 두 분야입니다. PCB 설계자의 임무는 설계가 규제 한도 이하의 노이즈를 생성하도록 배치되도록 하는 것입니다. 처음에 완벽하게 기능적으로 설계된 많은 시스템이 PCB 레이아웃의 특정 관행 때문에 규제 기준을 통과하지 못할 수 있습니다. 그러면 PCB 설계자의 임무는 규제 기준을 통과하도록 PCB 레이아웃을 수정하는 것입니다.

EMC 규제 테스트, 재설계 및 프로토타입 스핀의 반복을 방지하기 위해, 설계자들이 PCB 레이아웃에서 과도한 EMI 발생을 줄이는 데 도움이 되는 몇 가지 간단한 조치를 취할 수 있습니다. 이러한 요소 중 일부는 회로 수준에서 발생하며, 이는 전면 엔지니어링 및 스키매틱 캡처에서 다뤄져야 합니다. 그러나, 회로 설계가 완벽하더라도 PCB 레이아웃이 올바르게 공학적으로 설계되지 않으면 EMC 테스트에 실패할 수 있습니다. 이 가이드는 EMC 규제 실패로 이어질 수 있는 PCB 레이아웃의 요소에 초점을 맞출 것입니다.

EMC 규제 준수란 무엇인가요?

시장에 대량으로 출시될 예정인 모든 설계는 운영 중 저소음 방출이 필요합니다. 방출은 장치에서 멀어지는 방식으로 전도(케이블을 통해)되거나 방사될 수 있습니다. 규제 기관과 업계 표준 그룹에서는 두 유형의 방출에 대한 제한이 있습니다. EMC 준수는 또한 ESD와 전자 장치가 일시적인 변동을 견딜 수 있는 능력을 중심으로 합니다.

아래 표는 전 세계 EMC 규정 및 업계 EMC 표준에 따라 테스트되는 내용을 대략적으로 요약한 것입니다. 이 목록은 특정 규정을 참조하는 것이 아니라 새 제품에 대해 수행되는 테스트의 광범위한 영역과 유형만을 나타냅니다.

모든 장비가 이러한 모든 테스트를 필요로 하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 배터리 전력만을 사용하는 장치는 전압 강하 및 중단 테스트를 통과할 필요가 없으므로 해당 운영 요구 사항에 따라 보드를 설계할 필요가 없습니다.

이러한 테스트를 통과하는 것은 규제 문제이며, 규제 요구 사항을 준수하도록 전자 제품을 테스트하는 데 전문화된 회사들이 있습니다. 이러한 테스트는 저렴하지 않습니다. 미국에서 단 한 번의 테스트 비용이 약 $10,000에 달할 수 있습니다. 회사들은 테스트에 반복적으로 돈을 쓸 여유가 없으므로, 테스트를 의뢰하기 전에 잠재적인 실패를 발견할 수 있어야 합니다.

PCB 설계에서 EMC 실패의 가장 흔한 원인들

PCB 레이아웃에서의 EMC 실패는 종종 소수의 이유로 귀결되며, 테스트 엔지니어의 임무는 실패의 근본 원인을 추적하는 것입니다. 이러한 문제 중 일부는 레이아웃, 라우팅 및/또는 PCB 스택업을 변경함으로써 쉽게 해결될 수 있습니다.

• 부족한 동일 평면 접지 또는 접지면 없음
• 필요하지 않을 때 신호 간 격리를 위해 다중 접지 사용
• 케이블 및 커넥터에서 방사되거나 수신되는 방사선
• 일관된 접지 참조 없이 라우팅에서 발생하는 방사선
• 접지가 제거된 고속 스위칭 회로에서 발생하는 방사선
• 고속 프로세서를 지원하는 디지털 PDN에서 발생하는 스위칭 노이즈
• 페라이트를 사용하는 고대역폭이 필요한 디지털 PDN에서 발생하는 방사선
• 일부 경우, 특정 회로에 대한 기판 수준의 차폐 부족
• 부유 금속의 큰 부분에서 방사되거나 수신되는 방사선
• 완전하지 않은 반환 전류 경로로 인해 주로 고주파에서 발생하는 방사선
• 보호되지 않은 구성 요소로부터 ESD 전류를 유도하지 못함
• 차폐, 섀시, 및/또는 접지 사이의 고 임피던스 반환 경로
• AC 메인 입력으로 오는 반환 경로의 노이즈로 PFC (Power Factor Correction) 회로

가 필요함 위의 목록은 모든 것을 다루지는 않지만, 전력 및 고속 디지털 회로, 그리고 일부 케이블링 및 인클로저 관련 사례들에서 흔히 발생하는 여러 경우를 포함합니다. 과도한 EMI로 인한 많은 EMC 실패는 위에 나열된 상황의 변형 때문입니다.

만약 여러분의 역할이 테스트 엔지니어, 특히 사전 준수 작업을 하는 사람이라면, 과도한 EMI의 모든 가능한 원인을 찾아 제거하는 것이 여러분의 임무입니다. 이는 EMC 테스트 실패로 이어질 수 있습니다. 이러한 잠재적 실패 메커니즘을 빨리 해결하는 것이 매우 중요합니다; 따라서, 어느 정도의 사전 준수 테스트가 필요합니다. EMC 테스트 실패는 거의 항상 시스템의 일부 수준의 재설계를 요구하며, 이는 귀사에 손실된 시간과 돈을 의미합니다.

위의 목록에서, 저는 불충분한 접지 또는 여러 개의 분리된 접지 사용과 같은 문제가 EMC 테스트 실패의 가장 흔한 원인임을 발견했습니다. 예를 들어, 밀집된 이중 층 PCB에서 무슨 일이 일어나는지 살펴보세요. 이중 층 PCB가 밀집된 구성 요소 배치와 라우팅을 가질 때, 많은 신호들이 충분한 접지를 갖지 못하고 많은 방사를 생성할 것입니다. 이것은 4층 PCB로 전환하는 주요 동기 중 하나입니다.

Arduino PCB는 구성 요소 밀도의 한계에 가까운 레이아웃의 훌륭한 예입니다. 

이 PCB 레이아웃에서 발생할 수 있는 높은 수준의 방사능을 고려할 때, 네 층 PCB 스택업을 사용하는 것은 다른 주요 설계 변경 없이도 설계가 EMC 테스트를 통과하는 데 도움이 될 수 있는 간단한 방법입니다. 종종 EMI 문제는 스택업에서 시작되어 시스템 수준의 문제로 발전하는 경우가 많으므로, 평면 레이어를 추가하는 것과 같은 간단한 변경은 EMC 테스트를 통과하는 데 빠른 방법이 될 수 있습니다.

EMC 준수를 보장하기 위한 설계

EMC 준수를 보장하기 위해 PCB를 설계하는 것은 생각의 변화를 조금 요구합니다. 구체적으로, PCB 레이아웃에서의 “노이즈”, EMC 기준에서 정의된 “방사체”, 그리고 노이즈가 시스템을 통해 케이블을 통해 외부로 연결될 수 있는 모든 영역 사이의 일치를 봐야 합니다. 이를 조기에 인식하는 것은 설계를 테스트로 보내기 전에 잠재적인 EMI/EMC 오류를 발견하는 데 도움이 될 것입니다.

레이아웃 및 라우팅

레이아웃과 라우팅은 회로의 소음 특성에 영향을 줄 수 있으며, 회로가 소음을 줄이도록 최적으로 설계되었다 하더라도 이러한 현상이 발생합니다. 이는 소음원과 회로 사이, 또는 회로와 자유 공간 사이의 기생 커플링을 통해 발생합니다. 기생 커플링과 관련된 문제는 단일 기사로 요약하기 어려운 여러 측면을 포함합니다. 고수준에서, 기생 커플링을 다루는 레이아웃과 라우팅에는 두 가지 접근 방식이 있습니다:

• 용량성 - 접지와의 더 밀접한 결합은 회로 간의 용량성 커플링을 억제하는 가장 간단한 방법입니다.
• 인덕턴스 - 구성 요소 간의 경로를 짧게 하여 레이아웃을 타이트하게 하는 것은 방사를 허용하는 루프 인덕턴스를 줄입니다.

예를 들어, 전력 조정기에서 이는 회로의 출력과 자유 공간으로의 소음 커플링을 크게 줄입니다. L2에 접지가 포함된 타이트한 라우팅 개념을 보여주는 예시(인덕터아래 포함)는 아래에 나와 있습니다.

케이블 출입구에서 과도한 전도 방출이 발견되는 경우, 라우팅과 레이아웃이 최적이라 할지라도, 공통 모드 초크나 필터 회로를 추가하기 전에 조사를 시도해 보세요. 문제는 부유 접지나 외함을 통한 결합일 수 있습니다. 그러나 일부 경우에는 공통 모드 초크가 전도 방출 준수를 보장하는 데 도움이 되는 간단한 구성 요소이며, 소음 문제가 기능을 방해하지 않는다면 쉬운 해결책입니다.

공통 EMC 문제는 스택업에서 시작됩니다

가장 흔한 방사 방출 문제 중 일부는 나쁜 스택업으로 인해 발생합니다. 이는 스택업이 구성 요소에서의 소음을 억제하지 못하거나, 나쁜 라우팅 관행을 유발하여 과도한 방사 방출로 이어지기 때문일 수 있습니다. 나쁜 스택업으로 인해 전도 방출 실패도 발생할 수 있으며, 이는 주로 시스템 수준 접지가 과도한 공통 모드 소음을 생성하는 것과 관련이 있습니다.

저소음을 보장하고, 고속/RF 신호에 대한 임피던스를 유지하며, 유도/용량성 결합을 줄이는 데 도움이 되는 예시 스택업 디자인 전략은 아래에 나와 있습니다. 스택업 내에서, 특정 EMI 문제를 해결하는 가장 간단한 방법 중 하나는 접지를 활용하는 것입니다. 신호 레이어 사이에 접지를 사용하면 신호 그룹 간의 차폐를 제공하는 동시에 신호 라인에서의 의도치 않은 방사 방출을 줄입니다. 또한 신호 전환 시 반환 경로를 유지하는 작업을 용이하게 합니다.

• 저소음 스택업 디자인에 대해 더 알아보기

시스템 접지를 유지하는 이 전략은 신호 전파와 관련된 간단한 EMI 문제들을 많이 해결합니다. "간단하다"는 단어가 "EMC 준수 실패를 유발하지 않을 것"이라는 의미를 내포할 수 있지만, 실제로는 그렇지 않습니다; 비싼 테스팅 실패는 PCB 스택업에서의 층 배열과 같은 간단한 것으로 거슬러 올라갈 수 있습니다.

무선을 위한 모듈식 접근

제품을 완전히 모듈식으로 시장에 출시하는 것이 가능하지만, 사용하는 모듈이 개별적으로 EMC 테스팅을 통과했을 때에만 가능합니다. FCC는 모듈 인증을 제공하여, 사전 인증된 무선 모듈을 제품에 사용할 수 있게 합니다. 이는 모듈이 이미 의도된 라디오 대역에서만 작동하도록 인증되었기 때문에, 장치의 인증 과정에서 RF 테스팅 부분을 제거합니다.

이 인증은 제품에 대한 다른 방출 테스트를 수행해야 하는 요구사항을 없애지는 않지만, 실패 위험을 줄이고 시장 출시 시간을 단축하는 데 도움이 됩니다. 이러한 모듈을 피해야 할 다른 이유들도 있습니다, 예를 들어 특정 형태 요소 목표를 달성하거나 디자인을 복제하거나 맞춤 설정할 수 없는 가능성 등이 있습니다.

차폐를 사용해야 할까요?

제 의견으로는, PCB 레이아웃을 올바르게 수행한다면, 추가적인 보드 레벨이나 인클로저 레벨의 차폐는 EMC 테스팅을 통과하기 위해 필요하지 않아야 합니다. 이는 구성 요소 및 조립 비용이 증가하기 때문에 간단한 이유입니다. 프로토타입의 경우 이 비용은 대부분 무시할 수 있지만, 대량 생산에서는 이러한 비용이 빠르게 누적됩니다. 따라서, 단순히 장치의 단순성과 비용 측면에서 볼 때, 가능하다면 차폐는 피하고 디자인과 레이아웃을 완성하는 것이 좋습니다.

물론 예외는 있으며, 어떤 경우에는 장치가 빠르게 배포되어야 할 때, 기존 디자인에 차폐를 추가하는 것이 가장 낮은 비용과 가장 낮은 위험의 길일 수 있습니다. 때로는 완벽한 레이아웃에도 불구하고 소음이 많은 구성 요소(예: 모터)가 있으며, 완벽한 회로 및 보드 디자인에도 불구하고 장치에서 너무 많은 소음이 발생합니다. EMC 테스팅의 결승선을 넘는 프로토타입을 가장 빠르게 얻는 방법 중 일부는 다음과 같습니다:

• 구성 요소 수준 차폐, 예: SMD 또는 관통 구멍 차폐 캔
• 보드 수준 차폐, 예: 엣지 도금
• 케이스 장착 페라이트 판
• 흡수성 엘라스토머, 화합물 및 가스켓
• 큰 케이스와 캐비닛을 위한 금속 가스켓
• 금속화 케이스
• 맞닿는 표면을 밀봉하는 금속 테이프
• 흡수성 컨포멀 코팅 사용

차폐는 문제가 되는 EMI 문제를 해결하기 위한 매력적인 옵션일 수 있지만, 위에 나열된 설계 지침을 따른다면 추가 차폐 구성 요소 및 재료가 필요하지 않을 수 있습니다.

• PCB를 위한 EMI 차폐 기술에 대해 더 알아보기

EMC 규정

EMI 및 EMC 준수에 관한 가이드는 EMC 규정에 대한 간략한 논의 없이는 완전하지 않을 것입니다. 미국, 영국, 유럽은 전자 장비에서 EMI 발생 및 EMC 요구 사항을 규제하는 자체 규정 세트를 가지고 있습니다. 이러한 규정은 소음 제한 측면에서 서로 비슷하며, 이러한 다양한 시장에서 판매될 특정 제품은 지배적인 EMC 규정을 준수해야 합니다. EMC 준수 요구 사항 목록은 꽤 길 수 있으므로, 그 내용은 다른 기사에서 다루겠습니다.

• EMI 및 EMC 요구 사항에 대한 업계 표준에 대해 자세히 알아보기

디자이너들이 EMC 준수를 위한 규제 표준과 설계 관행을 인지하는 것이 중요하다고 생각합니다. 첫째, 서비스 사무소를 운영한다면 이는 고객에게 훨씬 더 가치 있는 서비스를 제공할 수 있음을 의미합니다. 시장 진입 로드맵에 존재하는 규제 장벽을 넘는 데 필요한 기술을 가지고 있을 것입니다. 또 다른 이유는 EMC 시험 엔지니어와 더 깊이 연결되어 공통 수준에서 대화할 수 있게 해준다는 것입니다.

이제 EMC 준수에서 흔히 발생하는 문제에 대해 배웠으니, PCB를 설계할 때 Altium Designer의 완벽한 PCB 설계 도구 세트를 활용해야 합니다. Altium Designer는 업계 선도적인 CAD 플랫폼으로 SI, PI 및 EMI/EMC 시뮬레이션을 위한 최첨단 애플리케이션과의 통합도 제공합니다. 설계를 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만들어 줍니다.

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