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1. 개요
방사 노이즈 원인은 전자 회로 설계에서 반드시 짚고 넘어가야 할 중요한 주제입니다.
왜냐하면 노이즈는 단순히 신호를 흐리게 하는 걸 넘어, 통신 오류, 오작동, 리셋, 심한 경우 인증 불합격까지 유발할 수 있기 때문입니다.
1-1) 전도 노이즈 vs 방사 노이즈의 차이
노이즈는 회로를 타고 들어오거나 나가기도 하고, 공기 중으로 퍼지기도 합니다.
이 두 가지를 각각 전도 노이즈와 방사 노이즈라고 부릅니다.
개념은 간단하지만, 실제 회로 설계나 인증에서 큰 차이를 만들기 때문에 정확히 알아둘 필요가 있습니다.
먼저 전도 노이즈(Conduction Noise)는 말 그대로 전선을 통해 흐르는 노이즈입니다.
보통 전원선이나 신호선을 타고 들어오거나 나가는 형태입니다.
예를 들어, 어떤 장비가 작동하면서 전원 라인에 고주파 스위칭 노이즈를 발생시켰다고 가정할 경우,
이 노이즈는 전선을 타고 다른 장비로 전달될 수 있고, 그 장비에 오작동을 유발할 수도 있습니다.
반면, 방사 노이즈(Radiated Noise)는 공기 중으로 퍼져나가는 전자파 형태의 노이즈입니다.
케이블이나 회로가 안테나처럼 작용하면서 고주파 성분을 외부로 ‘방사’해버리는 겁니다.
이 노이즈는 근처에 있는 다른 회로나 장비에 간섭을 일으켜 문제를 일으킬 수 있습니다.
쉽게 말해, 전도 노이즈는 선을 타고, 방사 노이즈는 공기를 타고 전파된다고 이해하시면 됩니다.
1-2) 왜 방사 노이즈가 문제가 되는가?
방사 노이즈 원인은 단순히 설계 상의 실수나 부주의에서 비롯되는 것이 아니라, 회로가 정상적으로 동작할 때도 발생할 수 있습니다.
예를 들어, 디지털 회로에서의 빠른 스위칭 동작, 고속 클럭 신호, 강한 전류가 흐르는 전원 트레이스 등은 모두 방사 노이즈를 만들어내는 주범이 됩니다.
문제는, 이 노이즈가 눈에 보이지도 않고, 직접적으로 측정하기도 어렵다는 점입니다.
방사 노이즈가 특히 문제가 되는 이유는 다음과 같습니다.
- 첫째, 예기치 않은 간섭이 발생한다는 점입니다.
방사 노이즈는 공기 중으로 퍼져나가기 때문에 인접한 회로나 장비에 영향을 줄 수 있습니다.
예를 들어, Wi-Fi 통신이 갑자기 끊기거나, 터치스크린이 오작동하거나, 센서 값이 이상하게 튀는 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
이런 문제는 원인을 찾기도 어렵고, 한번 발생하면 쉽게 해결되지 않습니다. - 둘째, EMC 인증 문제입니다.
제품을 시장에 출시하려면 전자파 적합성(EMC) 인증을 받아야 합니다.
그런데 이 방사 노이즈가 기준치를 초과하면 인증 시험에서 불합격이 나올 수 있습니다.
그 순간부터는 제품을 출시할 수 없고, 다시 설계를 수정하고 테스트를 반복해야 하죠. 시간과 비용이 모두 낭비됩니다. - 셋째, 제품의 신뢰성과 이미지에 영향을 줄 수 있다는 점입니다.
실제로 어떤 전자제품이 주변 장비에 영향을 주거나 간섭을 유발해서 민원이 들어온다면, 사용자의 신뢰를 잃는 건 순식간입니다.
특히 의료기기나 산업용 장비처럼 정밀성과 안전이 중요한 분야에서는 방사 노이즈 하나로도 큰 사고로 이어질 수 있습니다.
그래서 우리는 설계 초기부터 방사 노이즈 원인을 파악하고, 가능한 한 그 발생을 줄이는 방향으로 가야 합니다.
방사 노이즈는 ‘나중에 잡자’고 하면 늦는 경우가 많기 때문입니다.
결국, 방사 노이즈를 사전에 예측하고 설계에서부터 억제하는 것이 진짜 고수의 회로 설계라고 할 수 있습니다.
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2. 차동 모드와 공통 모드 전류
회로에서 방사 노이즈를 이야기할 때 절대 빠질 수 없는 개념이 바로 차동 모드 전류(Differential Mode Current)와 공통 모드 전류(Common Mode Current)입니다.
둘 다 전류의 흐름이지만, 그 경로와 노이즈를 만들어내는 방식이 아주 다릅니다.
이 차이를 이해하는 것이 방사 노이즈 원인을 정확히 파악하는 첫 걸음이 됩니다
2-1) 방사 노이즈 원의 종류
방사 노이즈 원인 중 두 가지 주요 형태인 차동 모드 노이즈(Differential Mode Noise)와 공통 모드 노이즈(Common Mode Noise)를 비교한 표입니다.
2-2) 차동 모드와 공통 모드 전류 이해하기
방사 노이즈 원인 중 가장 핵심적인 두 가지가 바로 차동 모드 전류(Differential Mode Current)와 공통 모드 전류(Common Mode Current)입니다.
회로가 동작하면서 자연스럽게 발생하는 전류라고 해도, 흐르는 경로나 조건에 따라 강력한 방사 노이즈를 유발할 수 있기 때문에, 이 둘의 특성을 제대로 이해하는 것이 EMI 대책의 기본이 됩니다.
① 차동 모드 전류란?
차동 모드 전류는 회로가 정상적으로 동작하는 과정에서 흐르는 전류입니다.
예를 들어, 데이터 신호가 신호선에서 흐를 때, 그에 대응되는 귀환 전류는 그라운드나 리턴 패스를 따라 흐릅니다.
이처럼 두 선로 간의 전압 차에 의해 흐르는 전류가 차동 모드 전류입니다.
신호 전류와 리턴 전류가 서로 반대 방향으로 흐르며, 이 전류의 루프(loop)를 통해 에너지가 전달됩니다.
이 루프가 작으면 작을수록 외부로 방사되는 노이즈는 줄어들게 됩니다.
즉, 루프 면적이 작을수록 차동 모드에 의한 방사 노이즈는 줄어든다는 것입니다.
차동 모드 전류는 전류의 양 자체는 크지만, 대부분 보드 내부에서 짧은 경로를 따라 흐르기 때문에, 상대적으로 방사 노이즈에 미치는 영향은 공통 모드보다 덜합니다.
② 공통 모드 전류란?
반면, 공통 모드 전류는 말 그대로 두 선로(예: 신호선과 리턴선)에 동일한 방향으로 흐르는 전류입니다.
이 전류는 회로가 의도한 경로가 아니라, 주로 접지 층의 불완전성이나 기생 성분에 의해 비정상적으로 발생합니다.
예를 들어, 접지층의 임피던스가 일정하지 않거나, PCB 구조상 기생 커패시턴스가 생길 경우, 외부로 전류가 새어나가고 그 전류가 다시 원래 회로로 귀환하면서 공통 모드 루프를 형성합니다.
공통 모드 전류는 보통 크기는 작지만, 그 방사 에너지가 매우 크기 때문에 EMI의 대부분을 차지합니다.
특히, 케이블이나 전원선, USB, HDMI 같은 연결부를 통해 공기 중으로 노이즈가 쉽게 방사됩니다.
즉, 공통 모드 전류는 노이즈가 외부로 빠져나가는 통로를 만드는 주범입니다.
공통 모드 전류의 루프는 회로 기판 내부가 아니라, 외부 공간(보드 외부)을 매개로 형성되며, 이것이 방사 노이즈 원인의 가장 큰 특징 중 하나입니다.
쉽게 정리하면?
- 차동 모드 전류는 정상적인 동작 전류이며, 보드 내부에서 흐르고, 루프 면적을 줄이면 방사를 줄일 수 있습니다.
- 공통 모드 전류는 의도하지 않은 노이즈 전류로, 외부 공간을 통해 흐르며, 적은 양이라도 방사 노이즈 원인으로 강력한 영향을 미칩니다.
3 디지털 신호의 방사
디지털 신호는 보통 사각파에 가까운 파형을 갖는데, 이 사각파는 단일 주파수가 아닌 다양한 고조파 성분을 포함합니다.
방사 노이즈 원인 중 큰 비중을 차지하는 부분이 바로 이 고조파입니다.
디지털 신호의 rise time이 짧을수록 더 높은 주파수까지 고조파가 생기며, 그로 인해 EMI 문제가 심각해집니다.
BW ≈ 0.35 / tr
예를 들어, rise time이 1ns라면 약 350MHz의 대역폭을 가진다는 의미이며, 이 정도면 고속 신호에서 충분히 방사 노이즈 원인이 될 수 있습니다.
디지털 신호, 특히 사각파를 수학적으로 분해해보면 다음과 같이 푸리에 급수로 표현됩니다.
즉, 기본 주파수뿐 아니라 3배, 5배, 7배의 고조파까지 포함되며, 이들 각각이 또 다른 방사 노이즈 원인이 됩니다.
실제로 노이즈 측정을 해보면, 기본 주파수보다 오히려 고조파 쪽에서 방사가 더 심하게 나타나는 경우도 많습니다.
f(t)=4/π×(sin(ωt)+1/3×sin(3ωt)+1/5×sin(5ωt)+⋯)
즉, 기본 주파수뿐 아니라 3배, 5배, 7배의 고조파까지 포함되며, 이들 각각이 또 다른 방사 노이즈 원인이 됩니다.
실제로 노이즈 측정을 해보면, 기본 주파수보다 오히려 고조파 쪽에서 방사가 더 심하게 나타나는 경우도 많습니다.
3-1) CM(Common Mode) 방사
① 20dB/dec 상승 구간
fCLK부터 fKNEE까지는 고조파가 증가하면서 방사가 점진적으로 커집니다.
② 0dB/dec 평탄 구간 이후 20dB/dec 감소 구간
fKNEE 이후부터는 방사 강도가 떨어지기 시작합니다.
해결 방법은 보드 외부로 흐르는 공통모드 전류 경로 최소화하고 안테나처럼 작용하는 도체 길이 줄여야 합니다.
3-2) DM(Differential Mode) 방사
① 40dB/dec 상승 구간
주파수가 fCLK를 지나 fKNEE까지 올라갈 때, 디지털 신호의 스펙트럼에 따라 방사 노이즈가 급격히 증가합니다.
이 구간에서 방사 강도는 주파수의 제곱에 비례하여 증가합니다.
② 0dB/dec 평탄 구간
fKNEE 이후에는 더 이상 신호의 스펙트럼이 증가하지 않기 때문에, 방사도 일정하게 유지됩니다.
해결 방법은 루프 면적(𝐴) 줄이거나 불필요한 고속 신호 피해야 합니다.
이처럼 방사 노이즈 원인은 단순히 클럭 속도나 신호의 유무만으로 결정되는 것이 아니라, 전류 경로의 물리적 구조와 스펙트럼 구성에 의해 크게 달라집니다.
따라서 회로 설계 단계에서 루프 면적과 도체의 길이를 꼼꼼히 고려하는 것이 EMI 대책의 핵심입니다.
4 Noise 대책과 종류
회로를 설계할 때, 노이즈 대책은 단순한 추가 작업이 아니라 설계 초기 단계부터 고려되어야 하는 핵심 과제입니다.
특히 최근처럼 고속 디지털 신호가 주를 이루는 시스템에서는, 무심코 지나친 작은 설계 실수가 방사 노이즈를 일으켜 제품 전체의 신뢰성을 위협할 수 있기 때문입니다.
4-1) 노이즈 대책은 언제, 어떻게 시작해야 하는가?
많은 초보 설계자들이 노이즈 문제를 “생산 후 시험 단계에서 해결할 수 있겠지”라고 생각하는 경우가 많습니다.
하지만 실제로는 설계 초기 단계부터 노이즈 대책을 염두에 두어야만, 나중에 발생할 수 있는 방사 노이즈 원인을 사전에 차단할 수 있습니다.
설계 과정에서 다음의 순서로 접근하는 것이 효과적입니다.
- 노이즈 발생 여부 확인
먼저 제품이 동작 중일 때 실제로 노이즈가 발생하는지를 확인합니다.
이 단계는 제품에 문제가 있는지 없는지를 구별하는 시작점입니다. - 노이즈 종류 분석
노이즈가 발생한다면, 그것이 전도성(Conduction) 노이즈인지, 또는 방사성(Radiated) 노이즈인지를 구분해야 합니다.
일반적으로 전도 노이즈는 30MHz 이하, 방사 노이즈는 30MHz 이상에서 주로 나타납니다. - 노이즈 스펙트럼 관측
스펙트럼 아날라이저와 같은 계측 장비를 사용하여, 노이즈의 주파수 분포, 크기, 피크 주파수 등을 관측합니다. - 노이즈 특성 파악
측정된 데이터를 기반으로 시간 변화, 파형 형태, 발생 타이밍 등을 분석해 노이즈의 성격을 구체적으로 파악합니다.
예를 들어 특정 클럭 엣지에서 방사 노이즈가 급격히 튀는지, 특정 동작 구간에서만 노이즈가 증가하는지를 살펴봅니다. - 노이즈 원인 추정 및 대책 방법 결정
파악한 특성을 바탕으로 노이즈 발생 원인을 추정합니다.
이때 방사 노이즈 원인이 루프 면적인지, 공통모드 전류인지, 혹은 패턴 설계 상의 문제인지 등을 분석합니다.
이후 해당 원인에 맞춰 적절한 대응책(예: 루프 축소, 필터 추가, 패턴 수정 등)을 수립합니다. - 결과 확인 및 반복 분석
대책을 적용한 후 다시 측정을 진행하여, 문제가 해결되었는지를 확인합니다.
만약 충분한 효과가 없었다면, 다시 원인 분석 단계로 돌아가 반복적으로 문제를 좁혀 나가야 합니다.
4-2) 노이즈 대책의 종류
노이즈 대책은 단일한 방법으로 해결되는 것이 아닙니다.
왜냐하면 노이즈의 발생 원인이 다양하고, 회로의 동작 방식이나 레이아웃에 따라 발생하는 위치와 전파 경로도 제각각이기 때문입니다.
특히 방사 노이즈 원인은 신호 루프, 공통 모드 전류, 배선 길이, 급격한 스위칭 등 복합적인 요소에서 비롯되기 때문에, 그에 맞는 맞춤형 대책이 필요합니다.
① 임피던스 컨트롤 – 신호의 “길”을 매끄럽게 깔아주는 작업
PCB에 고속 신호가 흐를 때, 그 길이 울퉁불퉁하면 신호가 반사됩니다.
마치 고속도로에 턱이 있으면 차가 통통 튀어 올라가듯이….
그렇게 되면 반사된 신호가 고주파로 변해 방사 노이즈 원인이 됩니다.
그래서 고속 신호 라인은 “특성 임피던스”라는 걸 맞춰줘야 합니다.
예를 들어 50Ω로 설계한 신호 라인이 중간에 70Ω이 되면, 거기서 신호가 반사 되어버립니다.
이건 마치 도로 폭이 갑자기 좁아지는 것과 비슷합니다.
→ 해결 방법: 선폭, 간격, 층 구조를 조절해서 임피던스를 일정하게 만들어 줍니다.
특히 클럭 신호, USB, HDMI처럼 고속인 신호일수록 중요합니다.
② 접지(Grounding) – 노이즈 전류가 잘 빠질 수 있게 길을 내준다
노이즈는 어디론가 흘러가야 하는데, 접지가 허술하면 그 노이즈가 Board 이곳저곳을 떠돌며 문제를 일으킵니다.
이건 마치 하수도 배관이 막혀서 오수가 밖으로 넘치는 것과 비슷합니다.
그리고 접지 면(Ground Plane)이 없거나 쪼개져 있으면, 공통 모드 전류가 예상치 못한 경로로 흐르게 되어 방사 노이즈 원인이 됩니다.
→ 해결 방법: 가능한 한 넓고 단일한 GND Plane을 확보하는게 좋습니다.
Ground는 단순한 연결선이 아니라, 모든 전류의 귀환 경로입니다.
귀환 전류가 멀리 돌아가게 하지 마시기 바랍니다.
③ 디커플링(Decoupling) – IC가 급하게 전류 먹을 때, 옆에서 도와주는 비상금
IC는 작동할 때 순간적으로 전류를 꽤 많이 빨아들입니다.
그때 전원선이 반응이 느리면 전압이 출렁거리고, 그 출렁임이 또 다른 방사 노이즈 원인이 됩니다.
그래서 IC 근처에는 작은 커패시터를 달아놓습니다.
IC가 “나 지금 전류 필요해!” 할 때, 그 커패시터가 “여기 있어, 어서 가져가!” 하는 역할을 합니다.
→ 해결 방법: 0.1uF ~ 0.01uF 같은 MLCC를 IC 전원 핀 근처에 가깝게 붙이기 바랍니다.
그리고 전원과 GND 사이에 연결하면, 이게 전자 회로의 ‘비상 전원 공급기’입니다.
④ 바이패스(Bypass) – 고주파 노이즈는 우회시켜버리자
바이패스 커패시터는 고주파 노이즈를 GND로 우회시키는 역할을 합니다.
쉽게 말해, 빠른 노이즈 신호는 저항 대신 커패시터로 더 잘 흐르기 때문에, 그 경로를 미리 마련해주는 겁니다.
예를 들어 전원선에 떠다니는 고주파 노이즈는 방사 노이즈 원인이 될 수 있습니다.
그런데 바이패스 커패시터를 달아놓으면 그 노이즈가 밖으로 방사되기 전에 GND로 빠져버리는 겁니다.
→ 해결 방법: 여러 주파수 대역을 커버하려면 서로 다른 용량의 커패시터(예: 0.1uF + 10nF + 1nF)를 병렬로 쓰는 게 좋습니다.
일종의 필터링 레이어입니다.
⑤ 흡수(Absorption) – 페라이트 비드로 노이즈를 먹어치운다
페라이트 비드나 노이즈 필터는 고주파 노이즈를 감쇠시켜 열로 바꿔줍니다.
특히 케이블이나 전원 입력부처럼 외부와 연결되는 부분에서 유용합니다.
예를 들어 SMPS 전원 입력부에 고주파 노이즈가 잔뜩 있으면, 그게 전원선을 따라 방사되어 인증에 탈락할 수도 있습니다.
이때 페라이트 비드를 하나 달면 마치 스펀지처럼 고주파를 흡수해줍니다.
→ 해결 방법: 고주파 노이즈가 흐를 수 있는 경로, 예를 들어 전원선, 신호선, 케이블 앞단에 페라이트 비드를 삽입하면 됩니다.
고속 ADC나 DAC 근처에 삽입해도 좋습니다.
⑥ 차폐(Shielding) – 문제 있는 구역은 그냥 “덮어버리자”
마지막은 물리적인 차단입니다.
고속 클럭 회로나 RF 회로처럼 외부로 방사되기 쉬운 부분은 그냥 금속 케이스나 도전성 실드로 물리적으로 덮어버리는 방법도 있습니다.
차폐는 일종의 마지막 수단입니다.
앞의 모든 대책을 써봤는데도 방사가 잡히지 않는다면, 회로 전체나 일부를 금속으로 감싸 방사를 차단합니다.
→ 해결 방법: RF 회로나 고속 클럭, MCU 등의 특정 영역을 금속 실드 케이스로 덮고, 그 실드를 GND에 연결합니다.
실드 케이블도 같은 원리입니다.
노이즈는 단순히 보기만 해서는 어디서 생기는지 잘 알기 어렵습니다.
그래서 항상 방사 노이즈 원인을 하나씩 역추적하면서, 위의 6가지 방법 중 어떤 게 적합한지 판단해야 합니다.
회로를 설계할 때마다 “노이즈는 언제든 생길 수 있다”는 전제를 두고, 처음부터 설계 안에 대책을 포함시키는 게 가장 좋은 방법입니다.
나중에 잡으려고 하면 더 힘들어집니다.