전자 설계에서의 접지 기준과 샤시 접지에 대하여

전자 분야에서 접지 기술, 접지, PCB 접지 연결 및 PCB 섀시 접지의 개념은 국제 표준이 개념과 용어를 구분하려고 시도했음에도 불구하고 모두 매우 복잡합니다. 접지는 전자 설계, 전기 작업, 물론 PCB 설계의 모든 측면에서 중요합니다. 모든 회로는 우리가 접지라고 부르는 참조 연결이 필요하지만, 정확한 참조는 다양한 시스템에 대해 다르게 정의됩니다.

다양한 유형의 전자 장치에서 PCB 접지가 어떻게 작동하는지, 접지 연결을 어떻게 사용하는지 확실하지 않다면, 모든 시스템에 적용되는 간단한 답은 없습니다. 다양한 유형의 전자 장치는 잠재적 참조를 다르게 정의할 것이며, 모든 접지가 동일한 잠재력에 있지 않다는 것을, 입문 전자 과정에서 배웠을 수도 있는 것과는 반대로, 모든 접지가 항상 같은 잠재력에 있는 것은 아닙니다. 이 글에서는 디지털 접지, 아날로그 접지, 섀시 접지, 그리고 궁극적으로 지구 접지 연결을 정의하고 통합하는 시스템 수준 접근 방식을 취할 것입니다. 접지가 어떻게 최종적으로 PCB에 연결되고 궁극적으로 시스템의 모든 구성 요소에 연결되는지 알아보려면 계속 읽어보세요.

회로에서 접지 참조는 무엇이며 어떤 역할을 하나요?

누구에게 물어보느냐에 따라 접지를 정의하는 몇 가지 방법이 있습니다. 물리학자들은 주로 이론적인 관점에서 특정한 방식으로 정의하는 반면, 전기기사와 전기공학자들은 실제로 발 아래의 땅(지구 접지)을 말할 수도 있습니다. 전자공학에서는 접지가 다양한 기능을 상호 교환적으로 수행하는 것으로 언급되기도 합니다. 여기 전자공학에서 접지의 주요 기능이 있습니다:

• 접지는 전압을 측정하는 데 사용되는 기준점을 제공합니다. 모든 전압은 두 점 사이의 전기장(및 위치 에너지) 측면에서 정의됩니다. 이러한 점 중 하나를 "0 V"로 정의할 수 있으며, 우리는 이 0 V 기준을 "접지"라고 부릅니다. 이것이 우리가 PCB의 접지 평면을 "기준 평면"이라고 하는 이유 중 하나입니다.
• 접지는 회로를 완성하기 위해 전원원으로의 반환 전류 경로를 제공하는 데 사용될 수 있습니다.
• 개념적으로, 접지는 또한 전류 흐름의 방향을 정의하는 큰 전하의 저수지로 작용합니다. 우리가 접지를 0 V 기준으로 삼기 때문에, 이 값(양수나 음수) 위나 아래의 전압은 접지의 위치에 따라 다른 방향으로 전류 흐름을 유도할 것입니다.
• 그라운드는 전기장이 끝나는 지점을 제공합니다. 이것은 사실상 첫 번째 포인트의 변형입니다. 만약 여러분이 전자기학 수업에서 이미지 방법 문제를 풀어본 적이 있다면, 그라운드가 특정하게 0V에서 유지되는 등전위 표면으로 정의된다는 것을 기억해야 합니다. 이 정의는 특정 전압에서 유지되는 모든 도체(예: PCB의 전원 평면)에도 적용됩니다.
• 완벽한 그라운드 도체를 통한 전압 강하는 0V입니다. 즉, 그라운드 참조에서 어떤 두 지점 사이의 전압을 측정하면 항상 0V를 측정해야 합니다. 이것은 위의 2번 포인트를 다시 말한 것입니다.

PCB 설계에서 우리는 종종 1번과 3번 포인트의 관점에서 그라운드에 대해 이야기합니다. 왜냐하면 이것은 구성 요소에 전력이 공급되는 방식과 디자인에서 디지털/아날로그 신호가 측정되는 방식을 정의하기 때문입니다. EMI/EMC 전문가들은 때때로 4번 포인트의 관점에서 그라운드에 대해 이야기할 것입니다. 왜냐하면 이것은 기본적으로 차폐 재료의 기능을 설명하기 때문입니다. 모두가 5번 포인트를 절대적인 진리로 받아들이지만, 실제로는 5번 포인트가 발생하지 않습니다.

이제 이러한 포인트들을 다루었으니, 전자기기에서 그라운딩과 다양한 유형의 그라운드에 대해 깨달아야 할 몇 가지 사항이 있습니다.

모든 그라운드는 불완전합니다

모든 접지 영역이 위의 특성을 가지려고 하지만, 실제 도체의 성질 때문에 접지 기준으로 사용될 때 다르게 기능합니다. 또한, 접지 영역의 기하학적 형태는 전기 및 자기장과의 상호 작용 방식을 결정하며, 이는 접지 영역 내부와 외부로의 전류 이동 방식에 영향을 미칩니다. 이것이 다른 신호들이 그들의 주파수 내용에 따라 특정한 반환 경로를 가지는 이유입니다. 또한, 모든 접지는 0이 아닌 저항을 가지고 있으며, 이는 실제 접지에 관한 다음 포인트로 이어집니다.

모든 접지가 0 V인 것은 아닙니다

부유 상태에 있는 도체나 다른 전원 소스를 참조로 하는 시스템 내의 도체는 같은 0 V 전위를 가지지 않을 수 있습니다. 즉, 두 개의 다른 장비에 대한 두 개의 접지 참조가 같은 참조에 연결되어 있지만, 그 사이의 전위를 측정하면 0이 아닌 전압을 측정할 수 있습니다.

이는 두 장치가 동일한 도체를 접지 연결로 참조할 때에도 발생할 수 있습니다. 긴 도체(예: 멀티미터로)를 통해 전위 차이를 측정하면, 그 값이 0이 아닐 수 있어, 어떤 전류가 도체를 따라 흐르고 있음을 의미합니다. 큰 접지 또는 두 접지 연결 사이의 이러한 전위 차이를 "접지 오프셋"이라고 합니다. 대규모 멀티보드 시스템이나 산업 및 네트워킹 장비와 같은 분야에서 접지 오프셋은 차동 신호를 사용하는 주요 원인 중 하나입니다(예: CAN 버스, 이더넷 등). 차동 프로토콜은 두 전선 간의 전압 차이를 사용하기 때문에, 각각의 접지 참조는 관련이 없으며, 신호는 여전히 해석될 수 있습니다.

전자기기에서의 접지 유형

전자기기에서는 PCB 설계에 관련된 다양한 용어로 인해 새로운 설계자가 혼란을 겪기 쉽습니다: 디지털, 아날로그, 시스템, 신호, 섀시, 그리고 접지. 여기에 접지를 나타내는 기호가 혼합되어 있고 종종 잘못 사용되는 사실을 더하면, 편의를 위해 이를 자주 사용하는 저 자신도 분명히 책임이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 전기 및 전자 공학에서 사용되는 몇 가지 표준 접지 기호가 있으며, 여러분의 전자 회로도에서도 사용됩니다.

IEC 60417 표준에서 정의한 기호를 사용하여 회로도에서 다양한 종류의 접지 연결이 표시됩니다. PCB 설계에서 일반적으로 사용되는 기호는 아래와 같습니다:

신호 접지 기호는 디지털 또는 아날로그 접지에 사용될 수 있으며, 올바른 넷 이름을 적용해야 합니다(저는 때때로 아날로그 접지에는 AGND, 디지털 접지에는 DGND를 사용합니다). PCB 샤시 접지는 시스템의 구성 및 전원 수신 방식에 따라 때때로 접지와 연결됩니다. 마지막으로, 안전 접지는 때때로 중성선을 통해 직접 접지하거나, 샤시에 연결하거나, 낮은 인덕턴스 샤시 연결을 통해 접지에 가능하게 연결됩니다.

접지

"지구 접지" 또는 전자 분야에서 단순히 "접지"라는 용어는 문자 그대로 지구와의 연결을 의미합니다. 즉, 지구의 전위를 우리의 0V 접지 기준으로 사용하고 있다는 것입니다. 전력선을 운반하는 전신주를 본 적이 있다면, 때때로 전신주 옆으로 내려가 땅속으로 들어가는 전선을 볼 수 있습니다. 이것은 지구 접지 연결이며, 케이블을 따라 토양 내 저항이 높을 수 있기 때문에 완벽하지 않습니다. 그러나 지구를 사용하면 바람직한 접지 연결의 특징인 대량의 전하 저장소를 제공합니다. 이 연결은 부하가 전력을 소모할 때 전류를 운반하기 위한 것이 아니라, 잡음이나 ESD(정전기 방전) 이벤트와 같은 일시적인 전류를 소산할 때만 전류를 운반합니다.

PCB 섀시 접지 연결

전자 분야에서 주목해야 할 중요한 점 중 하나는 모든 시스템이 섀시 접지 연결을 가지고 있는 것은 아니라는 것입니다. 일반적으로 이 용어는 인클로저 안에 있는 금속 섀시를 의미하며, 섀시에 연결이 이루어집니다. 3선식 AC 시스템(뜨거운 선, 중립선, 그리고 접지선)이나 3선식 DC 시스템(DC+, DC 공통, 그리고 접지선)에서 섀시 접지는 보통 시스템에 전원이 들어오는 플러그 지점에서 지구 접지와 연결됩니다. 시스템의 일부는 노이즈를 제거하거나 안전상의 이유(예: ESD 보호)로 PCB 섀시 접지에도 연결될 수 있습니다. 아래에 보여진 예와 같습니다. 이러한 배치는 3선식 연결에서 AC 또는 DC 입력에 대한 공통 모드 노이즈 필터링을 제공합니다.

이러한 지구 접지 연결은 세 가지 기능을 제공합니다:

1. 섀시가 이제 전역 0V 접지 기준 전위로 설정되므로, 섀시는 이제 파라데이 케이지로 작용하여 광대역 차폐를 제공합니다.
2. 잡류(ESD, 단락, 또는 노이즈)를 지구로 다시 방출하는 안전 기능을 제공합니다. 이것이 우리가 가끔 섀시 접지를 "안전 접지"라고 부르는 이유 중 하나입니다.
3. 이 입력 EMI 필터에서 페라이트나 큰 초크를 보드에 배치하지 않고도 공통 모드 노이즈에 대한 저임피던스 싱크를 제공할 수 있습니다.

배터리로 구동되는 시스템이나 간단한 2선식 DC 전원 연결이 있는 시스템에서는 PCB 접지면을 마운팅 홀을 통해 섀시에 연결할 수 있습니다. 여기서의 아이디어는 부유 도체가 없도록 하는 것입니다. 접지되지 않은 도체는 섀시로의 전류의 용량성 결합으로 인해 방사체로 작용할 수 있습니다. 접지되지 않은 섀시나 보드 내의 다른 부유 도체는 방사된 EMI의 원천이 될 수 있으며, 접지에 연결함으로써 쉽게 제거할 수 있습니다.

아날로그 및 디지털 접지

아날로그 및 디지털 접지는 지구 및 섀시 접지 연결과는 다른 문제입니다. 일반적으로 PCB에서는 위에서 설명한 바와 같이 섀시 접지 연결과 안전을 위한 지구 접지 연결을 가질 수 있습니다. 한편, PCB에는 아날로그 및 디지털 반환 경로를 모두 지원하는 접지면이 있어야 하며, 물리적으로 분리된 접지 네트워크를 가지지 않아야 합니다. 이러한 물리적으로 분리된 접지는 스택업에서 겹쳤을 때, 특히 평행판 도파관 주파수에서 강한 방사 방출을 생성할 수 있습니다. 대신, PCB에서 단일 접지 기준을 사용하여 모든 작업을 수행하십시오.

이 아날로그 및 디지털 접지에 대한 이러한 포인트에 대해 자세히 알아보려면, 물리적으로 분리된 접지면을 사용해서는 안 되는 주요 이유들을 설명하는 이 별 접지(star grounding)에 관한 기사를 읽어보세요.

신호 접지를 지구에 연결해야 할까요?

이 작업을 직접 수행하는 경우는 매우 드뭅니다. 이는 고전압 DC 배터리/PSU 또는 유사한 시스템이 테스트되는 경우에 적합할 수 있습니다. 일반적으로, 섀시 접지는 지구에 연결될 수 있으며, 이는 입력 측에서 PCB 접지면을 참조하는 회로(예: 정류기 전의 입력 EMI 필터)에 연결됩니다. 절연되지 않은 3선식 AC 시스템이나 DC로 정류되는 3선식 AC 시스템에서 회로의 신호 참조 접지를 지구에 연결하면, AC 또는 DC 라인의 음전선을 단락시키는 것입니다. 이렇게 하지 마십시오. 이제 섀시가 큰 전류를 운반하는 도체가 될 수 있습니다! 이제 고전압/전류 시스템에서는 감전 위험이 있고, 고주파 시스템에서는 강렬한 EMI가 발생할 위험이 있습니다. 이렇게 할 경우, 그 경로가 접지로 돌아가는 가장 낮은 리액턴스의 경로라면, 전류는 지구 연결로 돌아가고, 그 경로는 고전류를 운반하는 동안 장치를 만지는 사람을 통해 될 수 있습니다.

2선식 시스템(접지 연결 없음)에서는 신호 접지를 섀시에 다시 연결하는 방법이나 연결해야 하는지에 대한 지침이 다양합니다. 일부 지침에서는 다중점 접지가 괜찮다고 하고, 다른 지침에서는 I/O 근처에 단일 점을 사용하라고 하며, 또 다른 지침에서는 안전을 위해 전원 커넥터 근처에 단일 점을 사용하라고 합니다. 시스템 전체에서 RF 소음이 문제가 되는 경우, 소음을 분산시키기 위해 섀시에 여러 지점을 연결할 수 있지만, 스택업을 올바르게 구축하지 않아 더 큰 문제가 있을 가능성이 높으며, 장치가 너무 많은 라디오 에너지를 수신하고 있습니다. 스택업을 올바르게 구축하는 것에 집중하면 보드 전체에 마운팅 홀 연결을 꿰매지 않아도 되며, 몇몇 지점에서만 필요할 것입니다. 이 경우 접지로의 연결을 만들어서는 안 됩니다.

PCB 접지 기술에 대한 요약

PCB가 전자 장치를 담는 그릇이라는 점에서 샤시 접지를 올바르게 구현하는 것이 중요합니다. 위에서 논의한 바와 같이, 샤시 접지 전략은 안전성, EMI/EMC, 시스템 설계와 관련이 있으므로, 이를 올바르게 구현하는 것이 중요합니다. 설계에 여러 PCB 접지가 존재하는 것이 혼란스러울 수 있지만, 최고의 회로도 편집 도구와 PCB 레이아웃 소프트웨어는 물리적 레이아웃을 생성함에 따라 설계 전반에 걸쳐 접지 네트워크를 추적하는 데 도움을 줍니다.

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