PCB의 EMI/EMC 종류와 개선방법

1. EMI 및 EMC의 정의

전자기 간섭 또는 EMI는 전자기 복사에서 발생하며 이로 거슬러 올라갈 수 있는 모든 형태의 배경 소음 또는 방해를 나타냅니다. 전자 장치 및 기계는 이러한 간섭으로 인해 성능이 저하되거나 제대로 작동하지 않을 수 있습니다. 전파, 기타 전자 장치의 방사 EM 필드, 전원 공급 장치 발진 및 기계 시스템의 방사 EM 필드는 모두 EMI의 잠재적 원인입니다.

 

대조적으로, EMC(Electromagnetic Compatibility)는 전자 장치 및 장비가 전자기 간섭에 노출되었을 때 얼마나 잘 작동하는지 설명합니다. 전자파 적합성(EMC) 테스트를 수행해야 합니다. 전자기 간섭(EMI)이 전자 장치 또는 장비의 작동을 방해하는 것을 방지합니다.

 

 

 

PCB 설계자는 레이아웃 프로세스에서 EMI와 EMC를 함께 사용하는 경우가 많습니다. EMI에 강하고 근처에서 사용 중인 다른 전자 장치와 호환되는 회로를 만드는 것이 설계자의 최우선 과제입니다. 다른 소스의 전자기 간섭(EMI)을 견디고 성공적으로 작동하는 장치의 능력은 실행된 EMC 설계의 품질에 달려 있습니다.

 

전자기 간섭 및 전자기 호환성을 위한 설계에는 전송된 신호의 특성, 회로의 레이아웃 및 재료와 같은 몇 가지 고려 사항이 포함됩니다. 신중한 접지, 차폐 및 필터링 절차를 통해 EMI가 PCB에 미치는 영향을 줄일 수 있으며, 전략적으로 배치된 부품은 EMC를 높일 수 있습니다.

 

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2. PCB의 EMI 원인

EMI(전자기 간섭)의 잠재적인 환경적 원인은 여러 가지가 있습니다. 

• 마이크로프로세서 및 디지털 회로에서 생성되는 것과 같은 디지털 신호에 의한 고주파 잡음 생성은 다른 장치가 고주파 잡음에 노출될 때 문제를 일으킬 수 있습니다.
• 증폭기 및 센서에서 생성되는 신호와 같은 아날로그 신호는 고유 잡음으로 인해 잠재적으로 간섭을 일으킬 수 있습니다.
• 다른 회로를 방해할 수 있는 전자기 노이즈의 한 가지 원인은 전원 공급 장치입니다. 전원 공급 장치의 전자기 방사 또는 출력의 리플이 모두 이 문제에 기여할 수 있습니다.
• 주변의 다른 전자 장치에서 방출되는 전자기 방사선은 다른 장비의 기능을 방해할 수 있습니다. 예를 들어, 휴대 전화는 해당 지역의 다른 전자 장치를 방해할 수 있는 방사선을 방출합니다.
• 모터와 같은 기계는 근처의 전자 장치를 방해할 수 있는 전자기장을 생성할 수 있습니다.
• 낙뢰는 전자 회로를 방해할 수 있는 고주파 전자기 복사를 생성합니다.
• 라디오 및 텔레비전 전송, 휴대폰 및 기타 무선 소스의 간섭은 전자 회로를 방해할 수 있습니다.
• 습도, 온도 및 고도와 같은 환경 요인은 모두 전기 회로 성능에 영향을 미치고 전자기 간섭에 기여할 수 있습니다.

 

PCB 설계자는 전기 장치를 만들 때 전자기 간섭(EMI)의 다양한 가능한 주변 소스에 대해 생각해야 합니다. 적절한 차폐, 필터링 및 접지 기술을 사용하면 EMI에 대한 전자 회로의 안정적인 작동을 보호할 수 있습니다.

 

 

 

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3. EMI의 종류

전자기 간섭은 여러 가지 방법으로 PCB의 성능과 기능을 손상시킬 수 있습니다. 전도 및 방사 EMI는 가장 일반적인 두 가지 유형의 전자기 간섭입니다.

 

 

 

1) 전도성 EMI

"전도성 EMI"라는 용어는 PCB의 도체를 따라 이동하는 전자기 간섭을 나타냅니다. 또한 전원 공급 장치는 PCB의 전원 레일에 잡음과 리플을 도입하여 전도성 EMI를 유발할 수 있습니다. PCB 설계자는 필터, 페라이트 비드 및 적절한 접지 기술을 통해 전도성 EMI를 완화할 수 있습니다.

 

2) 방사 EMI

방사 EMI는 전자기파로 공간을 이동하는 EMI의 한 형태입니다. 방사 전자기 간섭은 주변 장비 및 시스템과 상호 작용할 수 있기 때문에 PCB 설계자에게 심각한 걱정거리가 될 수 있습니다. 방사 EMI를 방지하기 위해 PCB 설계자는 차폐, 접지 및 신중한 PCB 레이아웃 설계를 활용할 수 있습니다.

 

3) 마그네틱 커플링

자기 결합은 발생하는 또 다른 유형의 EMI입니다. 한 회로에서 생성된 자기장이 인근 회로에 전압을 유발할 때 발생합니다. 자기 결합은 약간의 전압 변동에 민감한 아날로그 저수준 회로에 문제가 될 수 있습니다. PCB 설계자는 차폐, 간격 및 트위스트 페어 와이어를 활용하여 자기 결합을 줄일 수 있습니다.

 

PCB의 성능과 작동에 영향을 줄 수 있는 다양한 유형의 전자기 간섭이 있습니다. 방사 EMI는 전자기파로 공간을 통해 전파되는 반면, 자기 결합은 한 회로에서 생성된 자기장이 인근 회로에 전압을 유도할 때 발생합니다. 설계에 대한 EMC 준수를 달성하기 위해 PCB 설계자는 다양한 유형의 EMI를 고려하고 적절한 완화 전략을 채택해야 합니다.

 

 

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4. EMI 개선방법

EMI는 PCB의 성능과 신뢰성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 EMI가 PCB에 미치는 영향을 제한하기 위해 적절한 완화 조치를 취하는 것이 중요합니다. 다음은 4가지 일반적인 EMI 완화 기술입니다.

 

• 차폐는 민감한 구성 요소를 전도성 물질로 둘러싸는 과정입니다. 전자기 방사선이 인클로저에 들어오거나 나가는 것을 방지하기 위해. 금속 인클로저, 전도성 코팅 또는 금속화 직물을 사용하면 차폐를 제공할 수 있습니다. EMI에 대해 성공적으로 차폐하려면 차폐를 접지에 전기적으로 연결해야 합니다.
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• 저임피던스 방식으로 PCB를 접지에 연결함으로써, 우리는 접지를 달성합니다. PCB에 의해 생성된 EMI는 적절한 접지를 통해 완화되고 보드에서 멀어질 수 있습니다. 접지를 완료하는 동안 전용 접지면, 접지선 및 접지 패드를 사용하십시오.

 

 

 

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• 필터링: 필터링은 PCB 통과 신호에서 원하지 않는 주파수를 제거하는 프로세스입니다. EMI 필터는 일반적으로 커패시터와 인덕터로 구성됩니다. 원치 않는 주파수를 차단하면서 원하는 주파수를 허용하도록 설계되었습니다. 필터는 입력 및 출력 신호 모두에 적용되어 PCB에서 방출되거나 수신되는 EMI를 줄일 수 있습니다.

 

 

 

• PCB 레이아웃 설계는 전자기 간섭(EMI)을 제한하는 데 필수적입니다. PCB 설계자는 최적의 부품 배열, 신호 추적 길이 감소 및 차동 신호와 같은 전략을 사용하여 PCB에서 생성되거나 수신되는 전자기 간섭의 양을 제한할 수 있습니다. PCB 아키텍처는 또한 전자기 간섭의 영향을 더욱 제한하기 위해 전용 접지면과 충분한 차폐를 통합해야 합니다.

 

EMI는 PCB의 성능과 신뢰성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 차폐, 접지, 필터링 및 신중한 PCB 레이아웃 설계와 같은 적절한 완화 기술을 사용하면 EMI의 영향을 줄이고 PCB가 EMC를 준수하도록 할 수 있습니다.

 

 

 

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5. EMC 테스트 표준

전기 장치가 전자기 간섭(EMI)을 일으키거나 손상시키지 않고 작동할 수 있는지 확인하는 것은 PCB 설계에서 중요합니다. PCB 설계자가 숙지해야 하는 EMC 테스트 표준은 시장마다 다릅니다.

미국 연방통신위원회(FCC)는 EMC 테스트에 가장 광범위하게 사용되는 벤치마크 중 하나를 제공합니다. FCC(Federal Communications Commission)는 전자 장치의 허용 가능한 방사 및 전도성 방출 수준에 대한 지침을 수립하고 이러한 모든 장치가 규정 준수를 위해 테스트 및 인증되도록 의무화합니다. 휴대폰 및 Wi-Fi 라우터와 같은 무선 장치는 동일한 주파수 범위에서 작동하는 다른 장치를 방해할 수 있으므로 이는 특히 중요합니다.

 

유럽 연합에서 제정한 CE 마크는 또 다른 중요한 표준입니다. 유럽 연합(EU)에서 판매되는 제품에는 EU 건강, 안전 및 환경 규정을 충족함을 인증하는 CE 라벨이 부착되어야 합니다. 전자파 적합성(EMC) 테스트는 CE 인증 프로세스의 일부이며, 이 표준은 방출(복사 및 전도) 및 민감도(전자기장에 대한 민감도)에 대한 허용 범위를 지정합니다.

일본의 VCCI, 캐나다의 ICES 및 유럽의 CISPR은 자체 EMC 테스트 표준이 있는 국가의 몇 가지 예입니다. 복사 및 전도 방출과 전자기장에 대한 내성은 이러한 표준 간에 일반적으로 겹치는 영역입니다.

 

방출 및 내성 테스트는 EMC 분석의 일반적인 구성 요소입니다. 방출 테스트는 장치가 다른 전자 장치를 방해할 수 있는 과도한 전자기 방사선을 생성하지 않는지 확인하는 반면 내성 테스트는 외부 전자기장에 노출되어도 장치가 계속 정상적으로 작동하는지 확인합니다.

 

 

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6. EMI 시뮬레이션 도구

 

 

 

전자기 간섭 시뮬레이션을 위한 도구는 인쇄 회로 기판을 설계하고 개발하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 프로그램은 PCB에서 발생할 수 있는 EMI 문제의 분석 및 예측을 지원하여 설계자가 더 잘 준비할 수 있도록 합니다.

SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)와 같은 다양한 전자기 간섭 시뮬레이션 도구를 사용할 수 있습니다. SPICE는 PCB의 전기적 특성을 설명하고 전자 회로의 동작을 시뮬레이션하는 데 널리 사용됩니다. 반면에 PCB 구성 요소 및 전자기장과의 상호 작용은 전자기 시뮬레이션 소프트웨어로 모델링할 수 있습니다.

 

설계 프로세스 초기에 EMI 문제를 발견할 수 있는 능력은 EMI 시뮬레이션 도구의 주요 장점입니다. 이를 통해 물리적 프로토타입을 제작하고 테스트하는 데 소요되는 비용과 시간을 줄일 수 있습니다. 설계자는 물리적 프로토타입을 먼저 제작하는 대신 시뮬레이션 도구를 활용하여 잠재적인 설계를 테스트하고 반복할 수 있습니다.

 

PCB 레이아웃은 설계자가 사용할 수 있는 시뮬레이션 도구를 사용하여 EMI 성능에 맞게 최적화할 수 있습니다. 이를 사용하여 다양한 구성 요소 위치, 트레이스 라우팅 대안 및 접지 방법이 EMI 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이를 통해 설계자는 프로젝트에 대한 최적의 배치를 찾고 EMI 문제를 방지할 수 있습니다.

 

EMI 시뮬레이션 도구 없이는 PCB 설계 및 개발이 불완전합니다. 설계자가 EMI 문제를 조기에 발견 및 수정하고, 최적의 EMI 성능을 위해 레이아웃을 최적화하고, PCB가 적용 가능한 모든 EMC(전자기 호환성) 규정을 준수하도록 보장하는 데 도움이 됩니다.

 

 

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7. PCB EMI 개선설계

전자 장비가 전자기 간섭(EMI)을 생성하지 않거나 영향을 받지 않는지 확인하는 것은 EMC에 대한 신중한 PCB 설계에 달려 있습니다. 전자기 호환성을 위해 설계하는 동안 PCB 설계자는 다음 사항을 염두에 두어야 합니다.

• 우수한 EMC 성능은 여러 가지 요인에 달려 있으며, 가장 중요한 요인 중 하나는 구성 요소를 신중하게 선택하는 것입니다. 설계자는 EMC 특성을 기반으로 구성 요소를 선택할 때 전원 공급 장치 및 기타 중요한 구성 요소의 잡음 특성에 세심한 주의를 기울여야 합니다.
• EMC 설계는 PCB 레이아웃에 크게 의존하므로 올바르게 수행하는 것이 중요합니다. EMI의 가능성을 줄이려면 트레이스 라우팅, 부품 배치 및 접지에 대해 상당한 주의를 기울여야 합니다. PCB 섹션 간의 노이즈 커플링은 고속 신호를 적절하게 라우팅하고 접지 방식을 설계하여 줄일 수 있습니다.
• EMI의 잠재적 소스로 널리 퍼져 있기 때문에 전원 공급 장치는 설계 프로세스의 모든 단계에서 신중한 고려가 필요합니다.
• 필터, 차폐 및 저잡음 전원 공급 장치는 모두 전자기 간섭을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 쉴드는 EMI의 영향을 줄일 수 있습니다.
• PCB는 구성 요소의 일부 또는 전부를 전자기 복사로부터 절연할 수 있습니다.
• 필터링은 EMI 간섭을 최소화하는 또 다른 유용한 방법입니다. 전원 공급 장치 및 신호 라인은 필터를 사용하여 잡음을 줄이고 PCB의 다른 부분에 연결하는 것을 방지할 수 있습니다.
• 마지막으로, PCB의 EMC 성능을 테스트하고 검증하는 것이 중요합니다. 실제 프로토타입 단계로 넘어가기 전에 EMC 테스트 장비를 사용하여 규제 표준을 준수하는지 확인하고 시뮬레이션 도구를 사용하여 잠재적인 EMI 문제를 식별하는 것이 일반적입니다.

 

PCB 설계자는 기판이 전자기 호환성(EMC) 표준을 준수하는지 확인하기 위해 부품 선택, PCB 레이아웃, 전원 공급 장치 설계, 차폐, 필터링 및 테스트에 많은 주의를 기울여야 합니다.

 

결론적으로 RF 간섭 및 전자기 호환성은 모든 PCB 설계자가 파악해야 하는 기본 원리입니다. 전자기 간섭(EMI)은 전자 장치의 오작동, 소음 및 성능 저하의 주요 원인입니다. 그러나 EMC는 전자기장의 유무에 관계없이 모든 전기 부품이 조화롭게 작동할 수 있도록 합니다.

PCB 레이아웃, 구성 요소 선택, 접지 및 차폐는 모두 전자기 호환성을 위해 설계할 때 고려해야 하는 요소입니다. 필터링, 차폐 및 접지는 설계자가 EMI를 줄이는 데 도움이 될 수 있는 방법 중 일부에 불과합니다. PCB가 모든 해당 규정을 준수한다는 것을 추가로 보장하기 위해 설계자는 많은 EMC 테스트 표준을 따라야 합니다.

EMC 및 EMI 완화의 중요성은 사용 중인 기술이 증가함에 따라 향후 몇 년 동안 증가할 것입니다. 장치가 엄격한 표준을 준수하고 의도한 대로 작동하도록 하기 위해 PCB 설계자는 진화하는 EMC 법률 및 업계 모범 사례를 파악해야 합니다.

궁극적으로 전자 제품 및 장치의 성공은 EMI 및 EMC에 대한 철저한 이해에 달려 있습니다. 설계자는 모범 사례를 준수하고 시뮬레이션 도구를 사용하며 광범위한 테스트를 수행하여 EMC를 준수하고 안정적으로 작동하는 PCB를 만들 수 있습니다.