[Chapter-5] EMI/EMC 분석
EMI문제
전자회로 엔지니어라면 누구나 EMI문제가 어려운 문제라는 것은 알고 있을 겁니다. 전자장비의 불필요한 전자파 방출량을 일정 수준 이하로 제어하고, 외부에서 강한 전자파가 들어 오더라도 오동작하지 않도록 EMC환경을 만드는 것이 엔지니어의 몫이라고 생각합니다. EMC가 어려운 이유는 문제를 예측하기도 어렵고, 문제가 발견된다고 하더라고 그 원인과 해결책까지는 시간과 비용 그리고 많은 노력이 들어가는 경우가 많기 때문입니다. 시스템은 점점 빨라지고 복잡해지고, EMC평가 규격은 더욱 강해지고 있는데 말이죠.
이런저런 이유로 EMI문제는 현장에서 측정과 경험으로 잡아야 한다는 의견에 대해서는 100% 공감하지만 최근에는 시뮬레이션 기술의 발전으로 여러 가지 다양한 예측과 해결법이 제시되어 지고 있습니다. 경험에 의한 설계에 전적으로 의존해서 실제 현장에서 문제가 발생할 경우 해결하는 루틴이 대다수인데 이런 시뮬레이션 기술들이 발전해 오면서 제품을 만들기 전에 시뮬레이션으로 먼저 해석을 해 보면서 다양한 예측과 해결법들이 선제적으로 제시되어지고 있습니다. 시뮬레이션이란 어떤 현상을 이론적인 수직으로 풀어내는 과정이고, 모든 자연계 현상은 물리적 법칙을 벗어나지 않기 때문에 물리법칙에 근거한 시뮬레이션은 현실의 EMI문제를 해결하는 중요한 단서를 제공해 줄 수 있습니다.
EMI는 전자파의 문제입니다. 그래서 예전부터 EMI문제를 해결하기 위해 전자장해석 방법의 도입이 시도되어 왔습니다. Field simulation이라는 전자장 해석법을 이용하면 전자기기의 외부로 방출되는 전자파(E-field, H-field)의 분포와 그 양을 예측할 수 있습니다. 단 유의해야 할 부분은 Field simulation해석결과 그 자체로는 문제발생의 수준과 해결법을 직관적으로 확인하기 어렵고 경향성을 보는 관점으로는 많은 도움이 될 수 있습니다. Field 분포를 통해 불필요하게 에너지가 집중되는 부위를 탐색하며 문제의 근원을 찾거나 해결의 중요한 실마리를 얻을 수 있습니다.
EMI에서 가장 난제는 spurious emission(불요파 방사) 입니다. 이것은 정말 예측하기가 어려워서 어느 방향으로 얼마만큼의 불필요 주파수 에너지가 방출되는지 알기가 어렵습니다. 이런 불필요 방사(Emission)는 Noise를 방출하는 것과 동일한 의미이기 때문에 전자 시스템의 Base가 되는 PCB의 노이즈를 제어하는 것은 Emission과 관련이 깊습니다.
PI/SI/차폐
전원단의 노이즈 자체를 해결하는 것이 아닌 전원 선로의 임피던스를 낮춤으로 외부에서 노이즈 전류가 유도되더라도 그로 인한 노이즈 전압의 발생을 최소화하도록 PCB설계가 이루어져야 합니다. 이러한 방법이 EMI문제 해결에도 통할 수 있습니다. 중요 주파수 대역에서 임피던스가 충분히 낮아서 노이즈가 잘 발생하지 않는다면, EMI로서 불요파(spurious)도 줄어듭니다.
SI는 복잡한 패턴들이 밀집해 있는 상황에서 문제없는 수준의 신호파형을 확보하기 위한 분석과 개선 과정이라고 할 수 있습니다. 가장 중요한 것은 입력신호의 종류나 형상에 따라 전자파의 경향도 바뀐다는 사실입니다. 입력이 단순한 아날로그 파형일때와 복잡한 디지털 데이터일때에 따라서 spurious emission의 주파수나 크기가 변화될 수 있습니다. 왜냐하면 단일 주파수 신호의 신호에 비해 디지털 신호는 퓨리에 변환에 의거하여 매우 복잡하고 지저분한 스펙트럼(주파수 분포도)르 가지고 있기 때문입니다. 그렇기 때문에 심각한 EMI문제는 SI분석상에서 실제 신호를 입력해야만 예측을 할 수 있습니다. 즉 입력 파형을 실제 시뮬레이션 프로그램에 입력해야 어느 정도 정확한 분석이 가능합니다.
EMI를 해결하는 가장 쉬운 방법은 전자파 자체를 벽으로 막아버리면 됩니다. 전자파는 금속을 투과하지 못합니다. 정확히 말하면 자신의 파장보다 매우 작은 크기의 금속망을 통과할 수 없습니다. 철망의 경우 철망의 구멍보다 훨씬 작은 파장의 고주파는 통과하지만, 그렇지 못한 주파수는 투과하지 못하고 전반사되어 버립니다. 이때문에 아날로그 핵심 부품위에 메탈을 씌워 차폐를 해 줍니다. 이 방법은 전자파 차폐에 있어서 가장 확실한 방법이지만 비용이 상승한다는 가장 큰 문제를 가지고 있습니다. 이런 금속 차폐가 외부의 전파를 차단해 주는 기능을 하지만, 내부에서 발생한 전파는 밖으로 내보내지 못하고 다중 반사될 수 있는 부작용도 있습니다. 이 공진주파수는 때때로 노이즈가 모일 수 있는 원인이 되기 때문에 이 사실을 인지해 가면서 정해야 합니다.
결론
앞서 설명한 내용을 정리하면 PI/SI/EMI는 서로 유기적인 관계를 맺고 있습니다. 만약 PCB나 시스템에서 EMI문제가 발생한다면 어떤 방법을 사용해서라도 분석을 해서 원인을 찾아내고 문제를 해결해 내야 합니다. 그러기 위해서는 문제 발생 부위를 예측하고 그 발생을 최대한 억제하기 위한 설계가 이루어져야 합니다. PI(Power Integrity)과정을 통해 PCB전원단으로의 노이즈 유입을 최소화 하고, 주요 패턴 선로의 SI(Signal Integrity)과정을 통해 신호간섭과 불필요한 노이즈를 완화함으로써, 결과적으로 불요파의 발생과 증폭을 억제할 수 있습니다. 막연한 경험적 지식과는 달리 시뮬레이션 분석과정은 객관적이고 계량화된 데이터의 축적이 가능하기 때문에 장기적으로 EMI문제 해결에 좀더 과학적으로 접근할 수 있습니다. 이론적 계산에 근거한 시뮬레이션의 적절한 활용이 PCB의 EMI문제를 얼마나 잘 예측하고 대처 할 수 있느냐는 앞으로 전자 엔지니어의 경쟁력과 생존을 결정할 수 도 있는 중요한 잣대라고 생각합니다.