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1. EMI 개요
전자기기는 서로 신호를 주고받으며 작동하지만, 이 과정에서 불필요한 전자파가 발생할 수 있습니다.
이러한 불필요한 전자파가 다른 전자기기의 정상적인 동작을 방해하는 현상을 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)이라고 합니다. 예를 들어, 휴대폰을 스피커 근처에 놓았을 때 “지지직” 하는 잡음이 발생하는 현상도 전자파 간섭의 한 예입니다.
전자파 간섭이 심할 경우, 전자제품 오작동, 신호 오류, 데이터 손실 등의 문제가 발생할 수 있으며, 심각한 경우 의료기기나 항공 시스템과 같은 중요한 장비의 기능을 저하시킬 수도 있습니다.
따라서 전자파 간섭을 효과적으로 제어하는 것이 매우 중요합니다.
1-1) 전자파 간섭(EMI)란?
전자파 간섭(EMI)은 불필요한 전자기 신호가 의도하지 않은 방식으로 다른 전자기기에 영향을 미치는 현상을 의미합니다.
EMI는 크게 방사성 간섭(Radiated Interference)과 전도성 간섭(Conducted Interference) 두 가지로 나뉩니다.
| EMI 유형 | 설명 | 예시 |
|---|---|---|
| 방사성 간섭 (Radiated EMI) | 전자파가 공기 중을 통해 전달되며 다른 장비에 영향을 미침 | 무선 신호 간섭, 블루투스 신호 방해 |
| 전도성 간섭 (Conducted EMI) | 전력선이나 신호선을 통해 전자파가 전달됨 | 전원선에서 발생하는 노이즈, 전력선 통신(PLC) 신호 방해 |
예를 들어, 방사성 간섭은 Wi-Fi 신호가 전자레인지 작동 시 약해지는 현상을 포함하며, 전도성 간섭은 특정 가전제품을 켜면 TV 화면이 깜빡이는 문제를 유발할 수 있습니다.
1-2) 전자기 적합성(EMC)과 EMI의 차이
전자파 간섭(EMI)과 전자기 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility)은 밀접한 관련이 있지만, 의미는 다릅니다.
- 전자파 간섭(EMI,Electromagnetic Interference): 다른 장비에 영향을 미치는 불필요한 전자기 신호
- EMC(Electromagnetic Compatibility): 전자기기가 주변 환경에서 정상적으로 동작하도록 하는 능력
즉, EMI는 문제의 원인이고, EMC는 이를 해결하기 위한 개념입니다.
EMC 설계가 잘 되어 있어야 EMI로 인한 문제를 방지할 수 있습니다.
1-3) EMC 비용과 설계 전략
전자파 간섭(EMI)을 해결하는 과정에서 가장 중요한 것이 바로 전자기 적합성(EMC) 설계입니다.
그런데 많은 엔지니어들이 초기 설계 단계에서 EMC를 고려하지 않고 나중에 시험을 통과하지 못한 후에야 대책을 찾는 경우가 많습니다.
이렇게 되면 개발 일정은 지연되고, 예상하지 못한 추가 비용이 발생할 수 있습니다.
1-3-1) EMC를 고려하지 않았을 때의 비용 증가
먼저, 설계 초기부터 전자파 간섭(EMI)를 고려하지 않으면 어떤 문제가 발생하는지 살펴보겠습니다.
- 제품을 설계하고 시제품을 제작함
- EMI 시험을 진행했는데, 규격을 초과하는 전자파 방출이 발생
- 원인을 분석하니, 신호 라우팅이 잘못되어 EMI 노이즈가 심하게 발생함
- PCB를 수정하고 부품을 추가함
- 추가 비용과 일정 지연 발생
이런 과정을 반복하다 보면 원래 계획했던 비용보다 훨씬 많은 예산이 들어가게 됩니다.
1-3-2) 설계 초기부터 EMC를 고려하면?
반면, 처음부터 EMC를 고려하면 이러한 문제를 최소화할 수 있습니다.
설계 단계에서 몇 가지 기본 원칙만 잘 지켜도 불필요한 전자파 간섭(EMI) 문제를 크게 줄일 수 있습니다.
- PCB 설계 시 신호 무결성(SI)과 전원 무결성(PI)을 고려
→고속 신호 라우팅 시 적절한 접지 패턴을 배치
→신호선과 전원선을 적절히 분리하여 크로스톡(Crosstalk) 방지 - 필터와 차폐 기술 적용
→전원 라인에 LC 필터를 적용하여 고주파 노이즈 제거
→필요하면 금속 차폐(Shielding) 구조를 추가하여 EMI 방사 억제 - 사전 EMI 테스트 진행
→프로토타입 단계에서 내부적으로 간이 EMI 측정을 진행
→스펙트럼 분석기를 활용하여 노이즈 문제를 조기에 발견
1-3-3) 비용 절감 전략
한마디로, EMC 설계를 미리 하면 100만 원이지만, 나중에 수정하면 1억 원이 될 수도 있다는 이야기입니다.
- 연관 참조 : 전자파 적합성(EMC),EMI,EMS란?, 주요 EMC 인증, 시험항목 및 측정 방법
- 연관 참조 : 전송선로 특성 임피던스 ,Microstrip과 strip,특성,이상적인 vs 일반 전송선로
- 연관 참조 : 전송선로에서 Crosstalk 저감 설계,부하 조건에 따른 반사,종단 방식 4가지 특성
- 연관 참조 : 고속 PCB 신호 간섭,NEXT와 FEXT, Crosstalk 저감 설계,단일종단 vs 차동신호
2. 노이즈 간섭 구조 및 경로
전자제품을 개발하거나 사용할 때 가장 흔히 접하는 문제 중 하나가 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)입니다.
특히, 전자 기기가 고속화되고 집적도가 높아지면서 EMI 문제는 더욱 심각해지고 있습니다.
EMI는 제품이 정상적으로 동작하지 않게 만들 수도 있고, 주변의 다른 기기에 영향을 미칠 수도 있습니다.
따라서 노이즈가 어떻게 발생하고 어떤 경로를 통해 전달되는지 이해하는 것이 매우 중요합니다.
2-1) 노이즈(Noise) 간섭 구조
노이즈는 신호가 의도하지 않은 불필요한 전자기적 간섭을 받는 현상을 의미합니다.
이는 신호의 정확성을 떨어뜨리고 시스템 오작동을 유발할 수 있습니다.
전자파 간섭(EMI)이 발생하는 구조는 노이즈의 3요소로 설명할 수 있습니다.
- 발생원(Source): 노이즈가 처음 생성되는 곳
→스위칭 전원, 모터, 고속 신호 라인 등이 대표적인 발생원
→트랜지스터의 스위칭 동작이나 전력 변환 과정에서 불필요한 고주파 신호 발생 - 전달 경로(Pathway): 노이즈가 이동하는 경로
→전도성 전파(Conducted EMI): 전원선, 신호선을 통해 노이즈 전달
→방사성 전파(Radiated EMI): 전자기파 형태로 공기 중을 통해 전달 - 수신단(Victim, 영향을 받는 기기): 노이즈의 영향을 받는 대상
→마이크로컨트롤러, 센서, RF 통신 장비 등이 노이즈로 인해 오작동할 수 있음
→감도가 높은 기기일수록 EMI에 더 취약
예를 들어, 스마트폰 근처에서 라디오가 “지지직” 거리는 이유는?
→ 스마트폰(발생원)에서 발생한 전자파가 공간(전달경로)을 통해 라디오(수신단)에 영향을 주기 때문입니다.
위의 상황이라면 아래와 같이 대책을 세울 수 있습니다.
- 발생원 차단 → EMI 필터, 스위칭 속도 조절
- 전달 경로 차단 → 차폐(Shielding), 필터링
- 수신단 보호 → 접지(Grounding), 내성 설계
전자기기에서 EMI 문제를 해결하려면 이 3가지 요소를 항상 모두 고려해야 합니다.
2-2) 노이즈 경로 및 유형별 EMI 전달 방식
전자파 간섭(EMI)은 시스템 내에서 다양한 경로를 통해 전파되며, 전도성 방출(CE, Conducted Emission)과 방사성 방출(RE, Radiated Emission)로 나눌 수 있습니다.
또한, CE와 RE가 서로 영향을 주는 경우도 발생합니다.
2-2-1) 노이즈 경로란?
전자파 간섭(EMI)이란 원하지 않는 전자기 신호가 회로나 시스템에 영향을 주는 현상을 말합니다.
이 EMI는 특정한 경로를 따라 전달되면서 문제를 일으키게 되는데, 크게 전도성 경로(Conduction Path)와 방사성 경로(Radiation Path) 두 가지가 있습니다.
쉽게 말해서, 전자기 노이즈(EMI)는 “어디를 통해 전달되느냐”에 따라 종류가 달라집니다.
전선이나 배선을 통해 전달되면 전도성 경로(CE, Conducted Emission)
공기 중으로 전파되면 방사성 경로(RE, Radiated Emission)
이 두 가지 경로를 제대로 이해하지 못하면, 제품을 설계할 때 EMI 문제를 해결하기 어렵습니다.
2-2-2) 전도성 경로 (CE Path) – 전선이나 회로를 통해 전파되는 EMI
전도성 경로란 전원선, 신호선, 접지(Ground) 같은 물리적인 전선을 따라 전류의 형태로 EMI가 이동하는 경우를 말합니다.
쉽게 말해, 우리가 흔히 스마트폰 충전기를 사용할 때, 특정 충전기에서는 라디오 소음이 생기는 걸 경험한 적이 있을 것입니다.
이 현상은 충전기의 내부 스위칭 전원에서 발생한 노이즈가 전원선을 타고 이동하면서, 라디오 회로에 영향을 주는 전도성 EMI 때문입니다.
① 전도성 EMI의 특징
- 주로 150kHz ~ 30MHz 주파수 범위에서 문제가 발생
- 원인이 되는 노이즈는 전원선, 신호선, 접지를 따라 이동
- 주요 발생 원인: 스위칭 전원(SMPS), PWM 신호, 클록 신호, 디지털 회로의 고속 스위칭 동작
② 전도성 EMI 해결 방법
- 전원선에는 EMI 필터(LC 필터, 페라이트 비드)를 추가
- 신호선은 쉴드 처리된 케이블(Shielded Cable) 사용
- PCB 설계 시, 접지(GND) 패턴을 최적화하고 노이즈를 빠르게 흡수하도록 설계
2-2-3) 방사성 경로 (RE Path) – 공기 중으로 퍼지는 EMI
방사성 경로는 노이즈가 공기 중으로 방사(Radiation)되어 다른 전자 기기에 영향을 주는 경우를 말합니다.
쉽게 말하면, 우리가 휴대폰을 사용할 때, 스피커에서 “뚜뚜뚜” 하는 소리가 나는 경우가 있습니다.
이는 휴대폰의 LTE 신호가 공기 중으로 방사되면서 스피커 내부 회로에 영향을 주는 대표적인 방사성 EMI입니다.
① 방사성 EMI의 특징
- 주로 30MHz ~ 1GHz 이상의 주파수에서 문제가 발생
- 공기 중을 통해 전파되므로 멀리 떨어진 기기에도 영향을 줄 수 있음
- 주요 발생 원인: 고속 신호 라인, 클록 회로, 안테나, 무선 통신 장비
② 방사성 EMI 해결 방법
- PCB 설계 시 차폐(Shielding) 처리하여 노이즈 방출을 억제
- 고속 신호 라인에는 디커플링 캐패시터(Decoupling Capacitor) 추가
- 전류 루프 최소화 설계로 불필요한 전자기파 방출 억제
3. 신호 및 전원 무결성과 EMI의 관계
회로 설계에서 신호 무결성(SI, Signal Integrity)과 전원 무결성(PI, Power Integrity)은 전자파 간섭(EMI)과 밀접한 관계가 있습니다.
SI와 PI가 제대로 관리되지 않으면 신호가 왜곡되거나 전원이 불안정해지고, 이로 인해 불필요한 전자파 노이즈가 발생하여 EMI 문제가 심각해질 수 있습니다.
따라서, 신호 및 전원의 무결성을 확보하는 것이 EMI를 줄이는 핵심 전략이 됩니다
3-1) 신호 무결성(SI)과 전원 무결성(PI) 개념
3-1-1) 신호 무결성(SI, Signal Integrity)이란?
신호 무결성(Signal Integrity)이란 디지털 신호가 본래 의도한 모양을 유지하면서 정상적으로 전송되는 능력을 의미합니다.
다시 말하면, 신호의 품질과 같은 의미로 보면 됩니다.
회로나 시스템에서 얼마나 깨끗한 신호를 전달하느냐에 관한 기술입니다.
특히, 최근의 고속 디지털 신호를 처리(송수신)하면서 야기되는 신호의 간섭,왜곡,EMI 등을 최소화하기 위한 기술입니다.
예를 들어, 우리가 USB 케이블로 컴퓨터에서 외장하드에 데이터를 전송한다고 가정해보겠습니다.
만약 신호 무결성이 좋다면 데이터가 원본 그대로 전달되어 아무 문제 없이 저장됩니다.
하지만 신호 무결성이 나쁘다면 전송 중 일부 데이터가 깨지거나, 심한 경우 파일이 손상될 수도 있습니다.
HDMI 케이블을 사용할 때 화면이 깜빡이거나 색이 깨지는 것도 신호 무결성 문제 중 하나입니다.
3-1-2) 전원 무결성(PI, Power Integrity)이란?
전원 무결성이란 회로에서 안정적인 전압과 전류를 유지하여, 정상적인 동작을 보장하는 능력을 의미합니다.
즉, 전원(VCC,GND) 영역을 얼마나 안정되게 유지하느냐를 다루는 영역으로 전원 선로는 여러 회로가 공유하는 구조가 일반적이므로 특정 회로에서 발생되는 전원 Noise가 다른 회로에도 동시에 영향을 줍니다.
이러한 영향을 차단(Decoupling)하는 것이 중요하면 eMI의 영향이 큼으로 설계시 매우 중요합니다.
예들 들어, CPU가 높은 클럭 속도로 동작할 때 갑자기 전원이 불안정해지면서 시스템이 다운되는 경우가 있습니다.
이는 전원 무결성이 확보되지 않았기 때문입니다.
3-2) PI-SI-EMI 간 상관관계
신호 무결성(SI)과 전원 무결성(PI)이 제대로 관리되지 않으면, EMI 문제가 더욱 심각해질 수 있습니다.
이들의 관계를 표로 정리하면 다음과 같습니다.
만약, 전원(PI)이 불안정하면, 갑작스러운 전압 변동으로 인해 신호(SI)가 깨지면서 불필요한 고주파 노이즈가 발생합니다.
또한 이 노이즈가 PCB 트레이스를 따라 이동하거나 공기 중으로 방사되면 전자파 간섭(EMI) 문제가 심해집니다.
즉, SI와 PI를 제대로 관리하는 것이 EMI를 줄이는 첫걸음입니다.
4. 신호 무결성(SI) 문제 발생 원인
신호 무결성(Signal Integrity, SI) 문제는 고속 신호가 제대로 전달되지 못하고 왜곡되는 현상을 말합니다.
우리가 흔히 사용하는 USB, HDMI, PCIe 같은 고속 데이터 인터페이스에서 화면이 깜빡이거나 데이터 전송이 오류 나는 문제가 생기는 이유도 대부분 SI 문제 때문입니다.
PCB를 설계할 때, 신호는 단순히 한 지점에서 다른 지점으로 흘러가는 것이 아니라, 여러 요소의 영향을 받아 변형될 수 있습니다.
신호가 깨끗하게 유지되지 않으면 데이터 오류(Bit Error)나 시스템 오동작이 발생할 수밖에 없습니다.
주요 원인은 임피던스 불연속, 반사(Ringing), 크로스톡(Crosstalk) 등이 있습니다.
4-1) 임피던스 불연속
임피던스(Impedance)란 쉽게 말해 전류가 흐르는 길의 저항 성분입니다.
신호가 전송되는 경로에서 임피던스가 갑자기 바뀌면, 마치 터널이 좁아졌다 넓어지는 것처럼 신호가 튕기면서 반사됩니다.
왜 문제가 될까?
예를 들어, 도로를 달리는 차가 갑자기 울퉁불퉁한 길을 만나면 차가 튕기듯이, 신호도 임피던스가 불연속한 구간을 만나면 일부가 반사되거나 왜곡됩니다.
주요 발생 원인은 PCB에서 신호선의 폭이 갑자기 변하거나, 신호 경로에 VIA(비아), 커넥터, 패드 같은 추가적인 전기적 요소가 있을 때 발생이 되고, 종단 저항(Termination Resistor)이 적절하지 않을 때도 발생됩니다.
어떤 문제가 생길까?
신호가 반사되어 원래 신호와 겹치면서 왜곡 발생되어 데이터 오류 증가되고, 신호가 정상적으로 전송되지 못하면서 EMI(전자파 간섭)도 증가 될 수 있습니다.
그럼 해결 방법은?
PCB 설계할 때, 신호선의 폭을 일정하게 유지하고, 신호의 종단부에 정합 저항(Termination Resistor)을 추가해서 반사를 줄일 수 있습니다.
또한, VIA(비아)나 커넥터를 사용할 때는 임피던스를 고려하여 신호 경로 설계해야 합니다.
4-2) 반사(Ringing)
반사는 신호가 목표 지점에 도착한 후에도 잔향처럼 남아 신호를 불안정하게 만드는 현상입니다.
이 현상이 심하면 신호가 변형되어 제대로 인식되지 못할 수도 있습니다.
왜 문제가 될까?
예를 들어, 탁구공을 벽에 강하게 던지면 벽에 맞고 다시 튕겨 나오게 됩니다.
비슷하게, 신호가 목표 지점에 도달한 후 일부가 되돌아오면서 불필요한 진동(Ringing)이 발생합니다.
주로 신호가 지나가는 경로의 임피던스가 불일치하거나, 종단 저항(Termination)이 없거나 부적절할 때,
신호선이 너무 길 때 발생됩니다.
어떤 문제가 생길까?
신호가 불안정해져서 데이터 오류 발생되고, Overshoot(과충), Undershoot(과방전) 현상으로 부품에 스트레스 증가하게 됩니다.
EMI(전자파 간섭) 또한 증가하게 됩니다.
그럼 해결 방법은?
종단부에 적절한 종단 저항(Termination Resistor)을 추가하거나, 신호 경로를 최적화해서 불필요한 길이 제거해야 합니다.
고속 신호의 경우에는 차폐선(Shielding)을 추가하여 반사 최소화하는 것이 좋습니다.
4-3) Crosstalk
크로스톡이란 인접한 신호선끼리 전자기 간섭을 일으켜 신호가 왜곡되는 현상입니다.
쉽게 말해, 두 개의 전화선을 가까이 두면 서로의 소리가 섞여 들리는 것과 같은 원리입니다.
왜 문제가 될까?
두 개의 신호선이 가까이 붙어 있으면 한 신호가 다른 신호에 영향을 미쳐 원래 신호가 변형될 수 있습니다.
고속 신호가 흐르는 PCB에서는 특히 크로스톡 문제가 심각해질 수 있습니다.
주요 원인은 신호선 간격이 너무 가깝거나, 접지(GND) 레이어가 부족하여 전자기 차폐 효과가 낮을 때,
높은 전압이나 고속 신호가 흐를 때 발생됩니다.
어떤 문제가 생길까?
신호가 깨지거나 원래 의도한 파형이 변형됩니다.
데이터 오류(Bit Error) 발생되고, EMI(전자파 간섭)도 증가하게 됩니다.
그럼 해결 방법은?
신호선 간격을 충분히 확보하여 간섭 방지하고, 접지(GND) 레이어를 활용하여 차폐 효과 극대화해야 합니다.
차동 신호(Differential Signal) 방식을 사용하여 노이즈 억제해야 합니다.
5. 전원 무결성(PI) 문제 발생 원인
전원 무결성(Power Integrity, PI) 문제는 전원이 불안정해지면서 회로가 제대로 동작하지 않는 현상을 말합니다.
CPU, GPU 같은 고속 연산 부품이 갑자기 꺼지거나, 오동작하는 이유도 대부분 PI 문제 때문입니다.
주요 원인은 선로의 기생 저항(Parasitic Resistance)과 기생 인덕턴스(Parasitic Inductance) 입니다.
5-1) 선로의 기생 저항 (Parasitic Resistance)
PCB의 전원 공급선(패턴)이나 전선에는 원래 저항이 존재하는데, 이 저항이 너무 크면 전압이 떨어져 전원이 불안정해질 수 있습니다.
왜 문제가 될까?
전압 강하(Voltage Drop)가 생기면, 부품이 필요로 하는 전압을 제대로 공급받지 못해 회로 동작이 불안정해질 수 있습니다.
대부분의 원인은 전원 공급선(패턴)이 너무 얇을 때 발생이 되거나, 전원 공급선이 너무 길 때 발생됩니다.
그럼 해결 방법은?
전원 공급선을 충분히 두껍게 확보해서 설계하거나, 전원 경로를 최대한 짧게 유지하여 전압 강하 최소화하는 것이 좋습니다.
5-2) 선로의 기생 인덕턴스 (Parasitic Inductance)
전원 공급선에 존재하는 기생 인덕턴스는 스위칭 노이즈(Switching Noise)를 증가시켜 EMI 문제를 유발합니다.
고속 스위칭 회로에서는 전압이 급격히 변할 때 과도 응답(Transient Response)이 발생하며, 이를 제대로 관리하지 않으면 전원 무결성이 심각하게 저하됩니다.
해결 방법은?
전원 및 GND 경로를 최소화하여 기생 인덕턴스를 줄여야 되고, 디커플링 커패시터를 부품 가까이에 배치하여 전원 노이즈 필터링 강화해야 합니다.
또한 PCB 설계 시 최대한 전원과 접지를 넓은 면적으로 확보하는 것이 좋습니다.
신호 무결성(SI)과 전원 무결성(PI)은 전자파 간섭(EMI)과 직결되는 중요한 요소입니다.
SI 문제가 생기면 신호가 깨지고 데이터 오류가 발생하며, PI 문제가 생기면 전원이 불안정해지고 노이즈가 증가합니다.
따라서 PCB 설계 단계에서 SI와 PI를 철저히 고려해야 전자파 간섭(EMI) 문제를 최소화할 수 있습니다.