PCB에서 전원 공급 장치 EMI를 어떻게 대응할까요?

전원 공급 장치는 우리 모두가 당연하게 여기는 시스템 중 하나입니다. 전원 공급 장치 설계에서 첫 번째 작업은 보통 원하는 수준의 전압과 전류 출력을 보장하는 것이며, 그 다음으로는 열 관련 고려사항이 따릅니다. 그러나 안전 문제, EMC 요구 사항, 더 높은 PWM 주파수의 사용, 그리고 더 작은 포장이 필요로 하는 경우 때문에, 전원 공급 장치의 EMI는 주요 설계 고려 사항이 되어야 합니다. EMC 테스트를 통과하지 못하면 시간과 돈을 낭비하는 재설계가 필요하기 때문에, 설계자가 전원 공급 장치 EMI를 무시하는 것은 자신의 위험을 감수하는 것입니다.

그렇다면, 전원 공급 장치 EMI의 주요 원인은 무엇이며, 전원 공급 장치 설계자들은 이를 어떻게 통제할 수 있을까요? 전원 공급 장치에서 EMI는 주로 부하로 전달되는 전도성 EMI로 나타나지만, 특히 고전류 스위칭 레귤레이터를 설계할 때 장치에서 방사되는 EMI도 있습니다. 이 글에서 모든 원인을 다룰 수는 없지만, 일반적인 전원 공급 장치 EMI 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 전략 목록을 작성하겠습니다.

전원 공급 장치 EMI의 원인 찾기

위에서 언급했듯이, 전원 공급 장치는 주로 전도성 EMI를 출력하지만, 스위칭 전원 공급 장치에서는 특히 강한 방사성 EMI가 발생할 수 있습니다. 전원 공급 장치에서 EMI를 생각할 때, 우리는 토폴로지를 고려해야 하며, PCB 레이아웃을 계획할 때 원하지 않는 전류나 원하지 않는 방출을 해결하고자 하는지를 고려해야 합니다. 간단한 선형 조정기나 LDO는 고주파, 고전류 스위칭 조정기보다 해결해야 할 문제가 적습니다.

아래 표에서는 전원 공급 장치와 기판 내 조정 회로에서 EMI의 세 가지 일반적인 원인과 그 원인을 개요로 설명했습니다. 잠시만요, 우리는 때때로 전원 공급 장치 내부에서 발생하는 EMI와 전원 공급 장치에 연결된 보드가 수신하는 EMI를 구분해야 할 필요가 있습니다. 실제로, 각 유형의 시스템에서 EMI의 크기는 규모의 문제이며, EMI를 생성하는 근본적인 메커니즘은 내장 전원 조정기와 전원 공급 장치에서 동일합니다.

이러한 각 영역에 대해 많은 양이 작성되었으며, 각 영역은 고립되어 취급될 수 없습니다. 예를 들어, 다양한 작동 모드(예: 링잉)와 스위칭 매개변수(높은 PWM 주파수)가 결합하여 공통 모드 전류를 생성할 수 있으며, 이는 일부 EMI를 생성하거나 전력 전달을 줄이기 위해 하류 부품으로 전도될 수 있습니다.

전원 공급 장치 EMI와 관련하여 각 영역을 간략히 살펴보겠습니다.

공통 모드 전류

공통 모드 전류의 원동력은 약간 직관적이지 않습니다. 공통 모드 전류는 전기적 효과로, 전기장의 변화에 의해 구동되므로, 전원 공급 장치에서의 공통 모드 전류는 기생 인덕턴스가 아닌 기생 커패시턴스가 섀시로 되돌아가는 것에 의해 매개됩니다. 아래 그래픽은 전원 공급 장치의 DC 조절 섹션에서 입력 전류가 PWR/GND 레일에서 공통 모드 노이즈로 나타나는 예를 보여줍니다.

이 전류 경로는 AC 메인 입력에서 입력 공통 모드 노이즈가 필터링된 후에도 시스템에서 나타날 수 있습니다. 또한 매우 큰 루프 인덕턴스를 가질 수 있어, 새로운 위치에서 EMI를 방출하거나 수신할 수 있습니다.

왜 이런 일이 발생해야 할까요? 그 이유는 위 다이어그램의 A 지점과 섀시 사이에 전위 차이가 있어, 일부 전류가 기생 커패시턴스를 통해 메인으로 되돌아갈 수 있기 때문입니다. 유사한 문제가 분할된 접지 섹션이 있는 이더넷 보드에서 발생할 수 있으며, 여기서 공통 모드 노이즈가 이더넷 넷 링크의 PHY 측으로 결합될 수 있습니다.

해결책: 공통 모드 전류가 시스템에 어떻게 들어오는지에 따라 달라집니다. AC 메인에서 전도된 전류의 경우, 전원 공급 장치의 출력에 일부 필터링이 필요합니다. 공통 모드 초크가 표준이거나, 저역 통과 토폴로지를 가진 공통 모드 전류 필터를 사용할 수 있습니다. 차동 모드 노이즈의 추가적인 필터링을 위해 파이 필터를 사용할 수 있습니다. 산업용 이더넷 스위치와 같은 일부 시스템에서는 공통 모드 전류가 발생하지만, 리턴 경로를 추적함으로써 민감한 회로로의 전도를 방지하는 것이 여러분의 임무입니다.

기생 링잉의 원인은 무엇인가요?

위 표에서, 특히 불연속 모드 작동에서 발생할 수 있는 몇 가지 링잉 원인을 확인했습니다. 그러나 기생성분도 설계에서 감쇠 조건을 변경하여 링잉이 동반된 과소감쇠 공진을 유발할 수 있습니다. 실제 부품에서 발견되는 많은 기생성분이 링잉에 영향을 미칩니다. 링잉은 실제 회로의 반응성 요소에 의해 발생하기 때문에 정확히 EMI의 한 형태는 아닙니다. 그러나 링잉은 다양한 형태로 EMI의 다른 형태에 기여할 수 있으므로(예를 보려면 이 기사를 참조하세요), 특히 전원 공급 장치에서 EMI에 대한 논의에 포함되어야 합니다. 링잉에 주요하게 참여하는 몇 가지 기생성분은 다음과 같습니다:

• MOSFET 리드 와이어 인덕턴스, 바디 커패시턴스
• 인덕터/트랜스포머 권선 커패시턴스
• PCB 레이아웃의 전류 경로에서의 기생 인덕턴스
• 회로 내 기생성분과 의도된 RLC 요소 간의 상호 작용

전원 공급 장치 레이아웃의 기생성분과 원하는 구성 요소는 과소감쇠 공진을 나타낼 수 있는 등가 RLC 회로를 형성합니다. 링잉은 출력에서 차동 모드 노이즈로 나타나며, 기생성분에 의해 형성된 등가 RLC 회로의 공진 주파수에 따라 고 MHz 주파수로 스펙트럼이 확장됩니다.

해결책: 더 작은 기생성분을 가진 부품을 사용하는 것인데, 이는 물리적으로 더 크거나 작은 부품을 의미할 수 있습니다. 불행히도, 이것은 들리는 것처럼 쉽지 않으며, 실제와 시뮬레이션 모두에서 그렇습니다. 또한, 디자인에서 가장 중요한 기생성분에 초점을 맞추어야 하며, 레이아웃이 완전히 기생성분으로부터 자유로울 수 없다는 것을 받아들여야 합니다.

방사된 EMI

방사된 EMI에는 두 가지 주요 원인이 있습니다. 첫째, MOSFET이 스위칭될 때마다 스위칭 레귤레이터에서 순간적으로 발생하며, 이는 넓은 전력 스펙트럼에 걸쳐 일부 전도성 EMI도 생성합니다(아래 참조). 둘째, 공통 모드 전류도 방사된 EMI의 원인입니다. 이 두 원인에서 나오는 방사 패턴은 매우 복잡할 수 있으며 여러 개의 고조파에 걸쳐 있을 수 있습니다.

해결책: 전원 공급 장치 출력에서 일부 전도성(차동 모드) EMI를 제거하기 위해 저역 통과 필터링을 사용해야 합니다. 방사된 EMI는 공통 모드 전류를 줄이는 데 중점을 두어 현저히 감소시킬 수 있으며, 그 방사는 차동 모드 방사된 EMI보다 약 100배 강할 수 있습니다(아래 예시 측정 참조). 스위칭에서 발생하는 방사된 EMI는 대부분 피할 수 없지만, 스위칭 섹션 근처에 접지 플레이트를 사용하고 낮은 루프 인덕턴스 라우팅을 보장함으로써 억제할 수 있습니다.

위에서 보여진 전도성 EMI 스펙트럼은 방사성 EMI 스펙트럼에서도 나타날 수 있습니다. 이는 클록 신호 라인의 경로를 따라 큰 루프 인덕턴스로 인해 강하게 방사할 수 있는 스위칭 크리스털에서도 볼 수 있습니다. 고주파 PWM 신호가 큰 참조 평면 근처에 라우팅되지 않을 때도 같은 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 2차 문제는 단순히 MOSFET이나 다른 스위칭 구성 요소의 스위칭 특성 때문이 아니라 라우팅과 관련이 있습니다.

이러한 조치로 문제가 해결되지 않는 경우, 보드에 적용할 수 있는 차폐 조치가 있습니다. 대부분의 설계자들은 특정 회로나 구성 요소 그룹을 대상으로 보드에 장착할 수 있는 차폐 캔에 이미 익숙할 것입니다. 그 다음에는 전도성 테이프, 전도성 가스켓, 메쉬 차폐 재료와 같은 인클로저 솔루션이 있으며, 이들은 인클로저에 장착될 수 있습니다. 이러한 솔루션을 접지하는 방법에 주의하세요; 디자인에서 파라데이 케이지를 생성하는 데 필요한 적절한 사용법은 시스템에서 "접지"를 어떻게 정의했는지에 따라 달라집니다(즉, 지구, 섀시 또는 시스템 접지).

전원 공급 장치에서 EMI 문제 진단하기

SPICE 시뮬레이션은 전원 공급 장치 회로의 토폴로지와 전기적 성능을 검토하는 데 매우 유용하며, 특히 전도 잡음이나 방사 잡음을 발생시킬 수 있는 스위칭 레귤레이터에 대해 유용합니다. 그러나 이러한 유형의 EMI는 물리적 레이아웃에 크게 의존할 수 있기 때문에 간단한 SPICE 시뮬레이션으로 완전히 진단할 수 없습니다. 필드 솔버 유틸리티는 레이아웃에서 강한 방사 방출, 강한 링잉, 공통 모드 전류가 있는 위치를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이를 제대로 수행하려면 설계를 필드 솔버 유틸리티에 직접 가져와야 합니다 그래야 도구가 레이아웃을 직접 고려할 수 있습니다.

전원 공급 EMI를 조사하고 설계를 변경하여 EMI를 줄일 필요가 있을 때 Altium Designer®의 완벽한 PCB 설계 도구 세트를 사용할 수 있습니다. 전도성 또는 방사성 EMI에 관련된 보다 고급 계산을 위해 Altium Designer 사용자는 Ansys 필드 솔버로 설계를 가져오기 위해 EDB Exporter 확장 프로그램을 사용할 수 있습니다. 이 필드 솔버와 설계 애플리케이션 쌍은 프로토타이핑을 시작하기 전에 레이아웃을 검증하는 데 도움이 됩니다.

디자인을 마치고 제조업체에 파일을 공개하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만들어 줍니다. Altium Designer를 Altium 365에서 사용할 수 있는 기능의 일부만 소개했습니다. 보다 심층적인 기능 설명을 원하시면 제품 페이지를 확인하거나 온디맨드 웨비나 중 하나를 참조하세요.