전원공급장치 및 DC/DC 컨버터에서 EMC 고려사항

2023. 7. 14
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전자 시스템 구성품과 최종 장비 간 전자파 적합성(EMC) 달성은 첨단 제품 설계의 주요 과제입니다. 이 문서에서는 이러한 주제를 살펴보면서 표준 준수 특히, AC/DC 및 DC/DC 모듈에 대한 표준 준수를 달성하기 위한 제안사항을 제시합니다.

목차

소개

코로나19 대유행으로 인한 봉쇄 기간 중 저의 자동차는 몇 주 동안 주행을 하지 않은 상태로 주차되어 있었는데, 자동차 내에는 대기 모드인 전자 제품으로 가득 차 있기 때문에 결국 배터리가 방전되어 차의 시동이 걸리지 않게 되었습니다. 저는 액세서리 매장을 방문해 놀랍도록 저렴한 새 ‘스마트’ 충전기를 구입해 자동차에 연결하고 작동했습니다. 그런데 시동은 걸렸으나 동시에 집의 Wi-Fi가 끊겼습니다. 충전기에 CE 마크와 여러 가지 인증 스탬프가 부착되어 있었는데도 충전기의 무선 주파수(RF) 방출 수준이 엄청났던 것이죠. 이는 전자파 비적합성을 보여 주는 아주 좋은 예입니다.

문제의 원인이 복사 또는 전도성 방출이든 충전기는 전자파 적합성(EMC)에 대한 게시된 필수 표준을 충족했어야 합니다. 또한 이러한 표준에는 명시된 레벨의 자기장, 전기장 및 전자기장, 라인 서지 및 과도 서지와 정전 방전에 대한 내성과 함께 주전원 고조파 방출 및 ‘플리커’에 대한 제한이 포함됩니다. 전 세계적으로 사용되는 표준은 IEC 61000 시리즈의 일부로, 이 중 파트 1~7에서 요구사항, 테스트 방법 및 제한사항의 모든 측면을 다룹니다. 또한 가능한 경우에는 항상 특정 제품 범주에 대한 다른 문서와 해당 범주의 요구사항을 함께 참조하세요.

살펴봐야 할 필터링

Electrical circuit showing a power source, a load and the directions of current
그림 1: AC/DC 컨버터 입력 시 차동 및 공통 노이즈
그 충전기를 설계할 때 어떤 점을 더 잘할 수 있었을까요? 먼저, 전도성 방출을 살펴보면 스위치 모드 파워 서플라이로써 이 제품은 선간(line-to-line) 차동 모드(DM) 및 상간(line-to-ground) 공통 모드(CM) 노이즈(그림 1)를 생성할 수 있습니다. DM 입력 노이즈는 선간 ‘X’ 커패시터 및 직렬 인덕터로 인해 감쇠됩니다. 따라서 크기 및 비용 제약 내에서 충분히 높은 소자 값을 사용하여 노이즈를 낮은 수준으로 쉽게 줄일 수 있습니다. 설계자는 보통 커패시터 값을 100nF 미만으로 유지하려고 하지만 위에서 언급한 것처럼 소자가 명시된 시간 내에 안전한 전압으로 방전되어야 하기 때문에 병렬 저항이 강제로 추가됩니다.

게다가 회로에 영구적으로 남아 있는 경우 저항의 누설 정전류로 인해 대기 및 무부하 손실 표준 준수가 문제가 될 수 있습니다. 인덕터의 값이 높아질 수 있지만 인덕터가 전체 AC 기동 전류를 전달하므로 포화를 피하기 위해 때때로 인덕터가 물리적으로 커져야 합니다. 이와 관련하여 일반적인 예에는 철 분말 또는 간격이 형성된 페라이트(gapped ferrite) 유형이 있습니다.

DM 노이즈에 대한 직접적인 법적 제한은 없지만 CM 노이즈에 대한 제한은 있으며, CM에 대한 일반적인 테스트 방법은 멀티미디어 장비용 CISPR 32와 같은 표준에서 요구하는 전원 임피던스 안정화 회로망(LISN)을 사용합니다. 그러나 LISN 역시 존재하는 DM 노이즈의 절반을 인식하므로 노이즈를 감쇠해야 할 타당한 이유가 있습니다. 상간(line-to-ground) 및 중선선과 접지간(line-to-ground) 연결은 전류원의 형태를 LISN의 낮은 50ohm 임피던스로 취하는 경향이 있으며 상간 또는 중선선과 접지간 연결의 ‘Y’ 커패시터는 로컬 복귀 경로를 제공합니다.

따라서 노이즈가 외부로 순환되지 않으므로 LISN에서 인식됩니다. 그런 다음 각 전력선에서 결합 권선이 있는 CM 초크가 컨버터와 전원공급장치 간에 장벽 역할을 합니다. 권선이 위상화될 때 간격이 없는 고투자율 페라이트를 사용할 수 있으므로 기동 전류가 자기적으로 무효화해 CM 노이즈 소자에 높은 임피던스가 남게 됩니다. CM 초크는 권선 사이에서 제어되는 누설 인덕턴스로 감을 수 있으며, 그러면 DM 및 CM 감쇠가 결합됩니다.

설치 과전압 분류에 따라 달라지는 과도 필터링 수준

AC/DC 입력 필터는 감쇠 방출과 함께 입력 과전압에 대한 내성을 제공해, 낮은 에너지의 고전압 과도 및 버스트 또는 저전압 서지일 수 있습니다. 관찰되는 수준은 수준 I~IV에서 설치 과전압 분류(OVC) 수준이 올라갈수록 심각도 증가)에 따라 달라집니다(표 1).

Overvoltage Category Relevant equipment
OVC I Equipment for connection to circuits in which measures are taken to limit transient overvoltages to an appropriately low level.
OVC II Energy-consuming equipment to be supplied from the fixed installation. Examples of such equipment are appliances, portable tools and other similar household loads.
OVC III Equipment in fixed installations and for cases where the reliability and the availability of the equipment is subject to special requirements. Examples of such equipment are switches in the fixed installation and equipment for industrial use with permanent connection to the fixed istallation.
OVC IV Equipment connected at the origin of the installation. Examples of such equipment are electricity meters and primary overcurrent protection equipment.
표 1: 과전압 분류 등급 정의

충전기는 최소한 Voltage Dependent Resistor(VDR) 등과 같은 입력 과도 억제 소자 추가를 요구하는 OVC II를 충족해야 합니다. 반대로 OVC IV인 경우 가능하면 여러 개의 가스 배출관과 함께 높은 에너지 정격 VDR이 있을 것으로 예상할 수 있습니다.

또한 충전기가 EU EMC 지침을 준수하는 것으로 평가된 경우(CE 마크가 부착되어 있음) ESD와 함께 특정 수준의 적용된 전기장, 자기장 및 RF 필드에 대한 내성도 있어야 합니다. 여기서 입력 필터링은 문제를 해결하는 방법이 될 수 없지만 우수한 내부 레이아웃 및 설계 방식 역시 방출 제한을 충족하는 데 일반적으로 도움이 됩니다.

‘집적’ 소자로 설계 시작, 그렇다고 문제가 완벽하게 해결되지는 않습니다

선택한 토폴로지에서 집적 소자를 사용하여 스위치 모드 컨버터 설계를 시작하고 1차 회로에 대한 성능을 계산하는 것이 실용적입니다. 이렇게 하면 해당 접근방식이 합리적인지 알 수 있지만 EMC 고려사항이 포함된 경우라면 ‘이상적인’ 소자가 아니라 ‘실제’ 소자를 사용해야 합니다(그림 2). 소자의 회로 차수 또는 ‘기생’ 특성이 클수록 일반적으로 EMC 문제를 일으키는 원인이 됩니다.

예를 들어, 이러한 회로 차수 또는 특성은 CM 노이즈 전류를 일으키는 접지에 대한 부유 커패시턴스 또는 방사를 일으키는 연결의 직렬 인덕턴스가 될 수 있습니다. 그림 2에 표시된 실제 소자는 간단합니다. 보통, 기생 값은 비선형으로, 주파수에 따라 크게 달라지는 커패시터 ESR을 예로 들 수 있습니다. 또한, 일부 기생 값은 특성상 불연속성을 갖습니다. 예를 들어 MOSFET 총 입력 커패시턴스는 스위치 상태에 따라 유효 값 간에 번갈아 나타납니다.
Circuit symbols for ideal and real components
그림 2: 1차 회로의 ‘이상적’ 소자 및 ‘실제’ 소자
전선 및 트랙 연결에는 단순히 온도에 따라 달라지는 DC 저항 외에 주파수와 재료에 따라 달라지는 AC 저항이 있습니다. 이는 고유 인덕턴스와 도체 중앙에서 상쇄되는 와전류로 인한 '표피 효과’ 때문입니다. 경험 법칙에 따르면 주파수 f의 전류는 구리 도체에서 깊이 δ = 66/√f까지 이동합니다(그림 3).

예를 들어, 100kHz에서 와이어 직경이 0.4mm이면 표피 효과가 나타나면 안 됩니다. 이는 대부분의 경우에 충분한 근사치이지만 δ는 실제로 전류가 전체(0이 아님)의 1/e 또는 37%까지 떨어지는 깊이이며 (컨버터 설계에서 종종 관찰되는 복잡한 AC 파형이 아니라) 사인파에 엄격하게 적용됩니다.
Cylinder with flow patterns and graph with curve
그림 3: 재료와 주파수에 따라 ‘표피 효과’로 인한 도체 표피에서 AC 전류 흐름

로컬 결합 효과

EMC 문제를 일으키는 불필요한 두 가지 주요 효과는 전도 방출 및/또는 궁극적으로 복사 방출을 초래하는 신호의 유도성 및 용량성 결합입니다. 전류 계단에서 유도된 전압은 E = -L.di/dt로 정량화됩니다. 최신 컨버터 설계는 1000A/µs의 전류 에지 레이트(edge rate)를 생성할 수 있습니다. 따라서 10nH만이 10V 스파이크를 생성할 수 있습니다. 이 인덕턴스는 추적 또는 배선 중 몇 밀리미터에 불과합니다.

마찬가지로, 전류는 부유 커패시턴스 I = C.dV/dt를 통해 유도되고 전압 에지 레이트가 50kV/µs가 될 수 있으므로 변압기의 절연 커패시턴스에 대한 일반적인 값인 불과 10pF를 통해 500mA의 변위 전류가 발생합니다.

이는 전류 및 전압 임펄스를 나타냅니다. 기본 주파수의 정상 RMS 값과 파형의 낮은 고조파는 훨씬 작고 스펙트럼 분석에서 EMC 방출 평가에 등록된 값입니다. RMS 값은 스위칭 파형과 이후 간단한 임피던스 계산(예: E = 2πfL.i 또는 V = i/2πfC)으로 얻은 주파수에서의 전류 및 전압의 푸리에 분석에서 얻을 수 있습니다. 공진형 컨버터를 사용하면 계산이 더 간단해집니다.

근거리장 및 원거리장 효과

방출원에서 가까운 거리에 있는 전기장의 효과를 정량화하는 것은 매우 어렵습니다. 이미 살펴본 것처럼, 전기장 즉 ‘E’ 필드를 변경하면 부유 커패시턴스를 통해 도체에서 변위 전류가 유도되는 반면, 자기장 즉, ‘H’ 필드를 변경하면 도체에서 전압이 유도됩니다. 이러한 현상은 방출원에서 거리 r만큼 떨어진 지점에서의 효과가 1/r2 또는 1/r3에 비례하여 감소하는 ‘근거리장’에서 나타납니다. 더 멀리, ‘원거리장’에서 이러한 효과는 결합된 전자기(EM) 방사선으로 바뀌며 1/r로 떨어집니다. 이 결론은 복사가 전방위적이라고 가정하여 도출합니다. 근거리장과 원거리장 사이 경계는 방출원 D의 실제 치수와 파장 λ에 따라 달라지지만 다음과 같이 근사값을 계산할 수 있습니다.

방출원 치수 < λ인 경우, r = λ/2π
방출원 치수 > λ인 경우, r = 2D2/λ

일반적인 파워 컨버터 기본 스위칭 주파수와 관련하여 방출원 치수는 확실히 파장보다 작고 r은 수십 미터 범위에 있습니다. 따라서 모든 로컬 효과는 근거리장 효과입니다. 예를 들어 대략 GHz 정도의 높은 고조파 레벨에서 경계는 대략 밀리미터 크기 정도의 방출원의 경우 밀리미터 범위에 있습니다. EM 방출에 대한 표준은 이를 반영하며 규정된 제한은 일반적으로 상대적으로 짧고 고정된 거리에서 측정된 최대 1GHz입니다.

갈바닉 커플링의 역할

Cylinder with flow patterns and graph with curve
그림 5: Via 치수
불필요한 커플링은 소스의 전류가 연결로 흐르고 과도한 전압 강하를 일으키거나 다른 전류 경로와 혼합되어 ‘누화’를 생성하는 단순한 갈바닉일 수 있습니다. 일반적으로 PCB 트랙이 주요 원인으로, 상당한 DC 저항을 생성할 수 있습니다. 길이가 10mm, 너비가 1mm, 두께가 35µm(1oz)인 구리의 저항은 25°C에서 거의 5mΩ이고, 85°C에서 6mΩ으로 상승합니다. 흐르는 전류에서 이 저항에 걸친 전압 강하는 동일한 연결을 통해 흐르는 다른 전력 또는 신호 전류에 추가되어 잠재적으로 간섭을 일으킵니다. AC에 대한 트랙 임피던스는 더 복잡하며 인접한 트랙, 접지면 및 기타 소자에 대한 근접성에 따라 달라집니다.

예를 들어, 그림 4에 표시된 것처럼 비유전율이 εr인 재료가 간격 H만큼 떨어져 있을 때 접지면 또는 단순 마이크로스트립 위에 있는 너비 W, 두께 t인 트랙은 특성 임피던스 Z0을 갖습니다.

Z0 = (87/√[εr + 1.41]). ln(5.98H/[0.8W + t])ohms

일반적인 PCB의 경우 εr = 4, H = 0.76mm, T = 35μm이므로, 너비가 1mm인 트랙의 특성 임피던스 Z0은 약 65ohm입니다. 트랙의 고주파 전류에 대한 소스 및 싱크 임피던스와 이 값이 일치하지 않으면 스위칭 에지에서 링잉이 발생하므로 이 값이 중요합니다.

Via도 완벽하지 않음

층 사이 Via 역시 기생 효과로 특징 지을 수 있습니다. 그림 5에 표시된 것처럼 외경이 D, 내경이 d이고, 길이는 T이고, 안이 비어 있는 경우 인덕턴스는 다음과 같습니다.

L = 2T(ln(4T/d) + 1)nH

한편, 커패시턴스는 다음과 같습니다.

C = 0.55 εrTD(D - d)pF
3D illustration of a blue circuit board with layers and tracks
그림 5: Via 치수
일반적으로 비어 있는 Via의 경우 이러한 값은 1.2nH 및 0.33pF입니다. 또한 DC 저항은 약 0.5mΩ인 반면에 열 저항은 약 100°C/watt입니다.

때로는 컨버터의 전원 경로에서 전류를 이상적으로 분리하는 것이 불가능합니다. 그림 6에 표시된 것처럼 기본 벅 토폴로지는 공통 접지 지점에는 ‘스타’ 연결이 가장 적절함을 보여 주는 예이지만, 회로의에너지 저장 및 방출 단계와 함께 작동하는 여러 전류 루프로 인해 그 위치는 최적일 수 없습니다. 또한 피드백 신호에 대한 최상의 공통 접지 지점은 전원 경로와 반드시 같지는 않습니다.
Circuit diagram with DC source, 3 capacitors C1-C3, load R_L and ground
그림 6: 최상의 절충을 위해 스타 포인트 접지가 적용된 DC/DC 벅 컨버터

결론

이 문서에서는 파워 컨버터의 소자와 연결 간의 상호 작용을 줄이는데 필요한 몇 가지 설계 고려 사항 을 다루었는데, 이는 전도 및 복사 방출을 줄이고 표준을 준수하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 효과가 어느 정도인지 감을 잡을 수 있도록 실제 기생 값을 제시했습니다. 최근에 전원 제품 제조업체인 RECOM에서 최근에 발간한 EMC ‘지식의 책’ [1]이 본 문서의 주요 출처입니다.

배터리 충전기의 경우 해체해보니 케이스가 금속임에도 불구하고 안전 또는 EMI 접지 연결이 없고, VDR이 없었으며, ‘X’ 커패시터가 장착되지 않은 공간이 있었고, 끈으로 묶인 초크 위치가 보였습니다. 이 충전기의 경우 설계자가 요건을 통과할 수 있도록 적합한 개념을 구상했지만, 비용 절감의 압박이 설계자의 좋은 의도보다 앞섰던 것 같습니다.