EMC 설계 대책 사례 워크샵

EMC 설계 대책 사례 워크샵 H/W 개발팀 조 재 호

EMC 란 무엇인가? 1 EMC 설계 워크샵 리뷰 2 EMC를 고려한 PCB 설계 기초 3 총정리 4 목차

EMC 란 무엇인가?

EMC 란 무엇인가? • EMC (Electro Magnetic Compatibility : 전자파 적합성 또는 전자파 양립성) • 기기외부로 불요 전자파를 최소한 방출하여 다른 기기에 전자파 간섭을 일으키지 않고, 외부로부터의 전자파간섭에 영향을 받아도 정상적으로 동작할 수 있는 상태. 즉, EMI(전자파간섭) 발생이 적고, EMS(EM 감수성 혹은 민감성)가 적거나 Immunity(내성)가 강한 상태 라고 한다. • EMI (Electro Magnetic Interference/Emission : 전자파 방해) • 전자파 간섭은 방사 (RE : Radiated Emission) 또는 전도 (Conducted Emission) 되는 전자파가 다른 기기의 기능에 장해를 주는 것으로 회로기능을 악화시키고, 기기가 오 동작을 일으킬 수 있는 불필요한 신호로써 크게 RE 와 CE로 나눌 수 있다. • CE (Conducted Emission: 전도 방출) • 주로 30MHz이하의 회로에서 발생하며, 전자파가 신호선 또는 전원선 같은 매질을 통해서 전달되는 전자파 잡음. • RE (Radiated Emission : 방사 방출) • 주로 30MHz 이상의 회로에서 발생하며, 전자파가 공기로 방사되어 전달되는 전자파 잡음.

EMC 란 무엇인가? • EMS (Electro Magnetic Susceptibility / Immunity : 전자파 감수성 / 내성) • 기기가 외부로부터 전자파 간섭을 받을 때 영향 받는 정도를 나타낸 것, 즉 전자파 감수성 또는 민감성을 나타낸다. 정확히 말하면 전자파간섭으로부터 정상적으로 동작할 수 있는 능력인 Immunity(내성)과는 반대 개념이지만, 일반적으로 동일 개념으로 사용되고 있고, 크게 RS, CS 로 나눌 수 있다. • CS (Conducted Susceptibility/Immunity : 전도내성) • 외부케이블, power cords, I/O interconnects등을 통해서 들어오는 전자파 간섭에 견디는 정도. • RS (Radiated Susceptibility/Immunity : 방사내성 ) • 자유공간으로부터 전파되어 들어오는 전자파간섭에 견디는정도 . • ESD(Electrostatic Discharge : 정전기 방전) • 서로 다른 정전기 전위를 가진 물체가 가까워지거나 접촉했을 때, 갑작스러운 전하의 이동으로 인해 과전류가 흘러서 기기가 오작동을 일으키는 현상. 크기는 다르지만 번개로 인한 낙뢰도 ESD의 일종.

EMC 란 무엇인가? • EFT/Burst(Electrical Fast Transient/Burst : 전기적 빠른 과도현상) • Surge : 서지 전기회로에서 수 ㎲～ 수초간 지속되는 전압, 전류, 전력의 과도현상 . • Voltage Dip : 전압 감소 전자시스템의 한 지점에서 전압의 급격한 감소했다가, 수 사이클에서 수 초간의 짧은 시간 후에 전압이 회복되는 현상 • EMP (Electro Magnetic Pulse : 전자파 펄스 ) • 과도적으로 높은 세기의 전자기장으로 전자파 펄스는 통상적으로 지구 대기권 내 또는 근처에서의 핵폭발과 관련되나, 번개와 같은 다른 전 파원에 의해서도 전자파 펄스가 발생할 수 있음. 한 시스템 전체가 안테나로서 광대역, 대전력의 영향을 받게 되는 현상 • Hazard(위해) • 전자파가 유기체의 건강, 생존, 번식에 미치는 위협

EMC 설계 워크샵 리뷰 • 네이게이션 & 네트웍 카메라 제품에 대한 EMC 설계 및 대책 사례 • 업체명 : ㈜ 마루인포 • 발표자 : 신주호 • 차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • 업체명 : ㈜ HTC • 발표자 : 최정현 • 디지털전력량계 전자파 내성 [EMS] 설계 대책 사례 • 업체명 : ㈜ 이티엘 • 발표자 : 김천식

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 • 네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 • 제품소개 - 네트웍카메라 • U – City 주차 관리 시스템 카메라 모듈 그림1. 외부 모양 그림2. 내부 모양

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 < Network camera 전체 블록도 > Ethernet RJ -45 Com Camera Module 8-Pin 4-Pin CPU Module Server BTB - Con Power Module Power System Micom

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 • EMC 문제 발생에 대한 사전 방지 • 파워 순단 실험 • 출력 단에 캐패시터를 추가해서 충전시간을 이용 하거나 또는 votalge 디텍터를 이용하여 사전에 방지 • USB에 라디에이션 발생 • USB.or.com • 설계 가이드 충실이 이용하면 여러 가지 작동문제를 해결할 수 있다. • Ethernet controller • 보통 Ethernet controller 는 EMC 적인 문제를 많이 일으키므로 예비적인 Filter 공간 확보

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 • Network Camera • Ethernet controller EMC 설계 시 주의점 • 선과 선사이의 거리가 멀게 되면 signal integrity가 안좋다. • 선과 선사이의 거리가 멀게 되면 데이터 송신률이 떨어 진다. • 위 제품 Ethernet controller 의 EMC 문제 • Pilot board 에 대한 Pre – Scan 실시 결과 노이즈 발생 • 0 ~ 80 Mhz사이에 노이즈 분포 • 100 ~150 Mhz사이에 와이드 밴드 생성 • J45 단자 꼽고 ping test 시 150 ~ 180 Mhz사이에 노이즈 발생 • Ethernet controller 문제로 간주

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 • 문제 발생원인 • Ethernet controller 의 transformer 의 불규칙한 Gain • 해결 방안 • Transformer의 RX, TX 단자에 10pF cap을 추가하여, 증폭의 Gain을 줄인다.

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 < Pilot board 에 대한 pre scan 파형>

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 < Ethernet controller 대한 ping test 파형>

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 설계 대책 : C1 ,C2 (10pF) 적용

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 < Ethernet controller 대한 ping test 파형> < EMC 대책후 Ethernet controller 대한 ping test 파형>

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 < PND 외관> 그림1. 외부 모양 그림2. 내부 모양

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 < PND 전체 블럭도>

네비게이션 & 네트웍 카메라에 대한 EMC 설계 및 대책 • 네비게이션 • Power amp 설계 시 주의점 • 미세한 전력에서도 많은 노이즈가 발생한다. • Filter를 위한 자리를 미리 마련해 두는 것이 좋다. • PCB 측면에서의 설계 시 주의점 • 그라운드의 분리와 단합의 선택은 매우 중요하다. • 분리된 그라운드의 삽입은 하모니 성분을 차폐 시킬 수 있다. • 위 제품의 EMC 문제와 해결 • 2가지 그라운드의 분리방법을 선택하고 Pre – Scan • 기존의 PCB에 비해서 그라운드 레벨은 별다른 차이가 없었지만, 노이즈는 감소. • LCD 쪽 그라운드 정리 후에 다시 스캔 해보니, 전체적인 100Mhz 의 그라운드 레벨은 떨 어 졌지만, 숨어있던 노이즈가 밖으로 나옴. • LCD 신호에 bead를 적용해서, 노이즈를 소모 시켜 했다.

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • 차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • 제품소개 • BMS(Bus Management System)을 구성하기 위한 정보 단말기 • 단말기 내에 차량의 현재 위치를 파악할 수 있는 GPS 장착 • 차량 내 다른 IT 기기와의 통신을 위해 RS232 통신포트 지원 • 소 출력 무선기기인 Zigbee를 사용하여 차량 내 각종 센서 장착 시, 무선 연결 • 버스에 장착 되어 앞차와 뒷 차의 간격, 승객의 대기 시간등을 실시간 통신

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 << 연결 구성도>>

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 PCB 전면부모습

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 EMC 대책 진단 방법 및 계획

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 < 근자계프로브 사용 > < 접촉시프로브 사용 >

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 < 근자계프로브를 이용한 진단 모습 >

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • 부적합 시험 항목 • MIC, Class A -> 전자파 방사 • 부적합 주파수 내역 • 80 ~ 230 Mhz (11dB 초과) -> 전원 노이즈의 원인 • 48 Mhz하모닉 주파수(7dB Limit 초과) -> SD 카드의 원인 • Test 및 분석 순서 • 데이터 확보 • 노이즈소스원 검토 • 노이즈 유입 경로/증상 파악

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • EMC 대책 과정 • PCB Artwork • 육안으로도 확인 할 수 있는 via hole 부족. • 하지만복잡한 trace 때문에 via hole 을 뚫을 수 없어서 다시 Artwork 실시. • Via hole 은 바둑판의 격자 무늬 부분에 놓는다. 이때 패턴을 지나가는 부분을 제외한 나머지 부분에 via hole을 뚫는다. • 그 결과 PCB Artwork 만으로도 많은 노이즈 감소 • SD 카드 단자 • 클락 단자에 LF 를 추가 해 저주파 노이즈 감소 • Data Line 에 Cap을 추가하여 노이즈 레벨 감소

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 < 비아홀추가전> < 비아홀추가후>

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • 기타 EMC 대책 설계 Tip • 하이스피드 라인 근처에는 I/O 라인을 사용하지 마라. • 커플링의 주된 원인이 될 수 있다.

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • 설계 할 때 문제가 예상 되는 부분에는 추후에 추가 될 filter 나 cap의 자리를 비어 두어라.

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • 노이즈와 신호가 주파수 대역에서 • 떨어져 있다면 지역통과 필터를 • 써라(Ex: LF) • 노이즈와 신호가 주파수 대역에서 • 근접하고 있으면 높은 • 세이프팩터의 필터가 필요 • 노이즈와 신호가 주파수 대역에서 • 겹쳐 있다면 지역과 필터 대책 할 • 수 없다

차량용 통신기기 제품에 대한 EMC 설계및 대책사례 • ESD에 대한 원인 발견 • 디버깅을 하기 위해서 아답터를 사용해서 배터리 대신 해왔는데, 우연히 배터리를 사용 했을 때, 포토 커플러와의 접촉을 발견하여 포토 커플러의 문제임을 인지. • 케이스의 받침대가 메탈이라는 것을 발견 • 메탈은 보드와 전혀 그라운드 되어 있지 않았고, 단지 고정용으로 이용되어 있었다. • 보통 이런 경우에 문제가 없을 것 같지만, 메탈이 CPU 바로 위에 위치 해서 간접 방전을 일으켜 문제가 생겼다. • ESD에 대한 해결 • 역전류 방지용 다이오드를 달아서 전류가 세는 것을 방지. • 메탈에 대한 CPU의 간접방전에 대해 디버깅 하려 했으면, 제조 업자의 반대로 할 수 없이 쉴드캔을 이용하여 간접 방전을 방지.

디지털 전력양계 전자파 내성 설계 대책 사례 • 디지털 전력양계 전자파 내성 설계 대책 사례 • 제품소개 • 제어용 전원 • AC, DC 겸용으로 내부에 스위칭 Power Supply 가 내장되어 있어 전원 인가 시 안정 • AC 전원입력 범위 : 90V ~ 260V, 50~60Hz • DC 전원 입력 범위 : 110V – 300Vdc • 전압 입력 및 전류 입럭 사양 • 전압입력 : 상전압 -270Vrms • 선압 입력 : -470Vrms • 전류 입력 : 5A

디지털 전력양계 전자파 내성 설계 대책 사례 AC 입력 및 필터 DC/DC 컨버터 전력변환절연 Transformer DC OUTPUT DISPLAY BOARD < Block Diagram > 전류 검출 CPU DATA 통신 IN / OUT 전압 검출 EP-ROM A/D CONVERTOR

디지털 전력양계 전자파 내성 설계 대책 사례 • ESD 설계 대책 과정 • 작은 사이즈의 제품이기에 Filter와 cap의 추가가 불가능했다. • 사이즈가 작았기 때문에 Power의 사이즈가 작아지고, 불안정해 졌다. • 이 문제를 해결하기 위해서 PCB 자체를 절단 면을 만듬으로써, Surge 를 방지 했다. • 제품의 문제점 • LED 깜박 거림과 꺼짐 • 지시치 오류 • 데이터 전송 실패 • 대체회로 추가 불가능

디지털 전력양계 전자파 내성 설계 대책 사례 • 문제점의 원인 • 플라스틱으로 구성된 외형 • 과도한 메인보드의 DC 그라운드 • 너무 조밀한 trace 패턴으로 인한 커플링 효과 • 바둑판 모양으로 일괄적이지 못한 via hole 패턴 • 불규칙한 패턴의 굵기 • 문제 해결 • 전원 입력부 • 입력단 SMPS 라인필터의 용량증가 ( 10mH -> 80mH) • 출력단 inductor 용량 증가 ( 100nH – 220nH) • 인덕터의사용은 높은 고주파를 억제 하고, 전류의 급 변화 방지

디지털 전력양계 전자파 내성 설계 대책 사례 • 메인 보드 • 비드를 이용한 노이즈 감소 • 원인 분석을 통한 부품 교체가 아닌 무조건 적인 R, L, C, bead 등의 순차적인 교차로해결 • PCB Artwork • 너무 많은 그라운드를 분리를 통해 간략화 하고 일정하지 않은 패턴 굵기를 균일하게처리

EMC를 고려한 PCB 설계 기초 • 스트립 라인 • 마이크로 스트립 라인 • 유전성의 재료에 의해 고체 Plane부터 분리된 PCB 상의 외면 트레이스 • 고속의 클럭이나 논리 신호 회로에 사용 • RF 에너지 방사 가능성이 있음

EMC를 고려한 PCB 설계 기초 • 스트립 라인 • 두 고체 플레인(전원, 그라운드)간에 회로 Plane을 배치한 구성 • RF 방사에 보다 양호하나 전달속도가 느려짐

EMC를 고려한 PCB 설계 기초 • RF 결합을 최소로 하기 위한 20H 규칙 • RF 전류는 자속결합으로 인한 전원 Plane의 끝에 존재함. • 이러한 결합을 프린징이라고 하며 고속회로에서 관측된다. • 20H 규칙은 회로의 공진 주파수를 높여서 회로의 안정을 꾀한다. < RF 프린징 ( 방사 ) > <20H 와 100H 규칙>

EMC를 고려한 PCB 설계 기초 • 20H • 20H 는 대략 70%의 자속 경계를 나타낸다. • 100H • 20H 는 대략 70%의 자속 경계를 나타내며 98%의 자속 경계를 달성하기 위해서는 100H 를 사용한다. • 20H 규칙 계산법 • 위 그림에서 H = 0.006in 의 plane 간의 거리라고 가정한다면 20H = 20 * 0.006in = 0.12in(0.3cm=0.12*2.54cm)

EMC를 고려한 PCB 설계 기초 • 접지 루프의 최소화 • 가능한 가깝게 모든 전력과 접지 Trace를 유지한다. • Ground에 가능한 근접하게 Signal Line을 유지한다. • Line의 길이를 짧게 한다. • 가능한 많은 접지 평면을 가지고 기판의 이용되지 않은 영역을 채운다. • I/O 커넥터에 근접하게 논리 소자와 필터 소자를 위치한다.

EMC 설계 대책 사례 워크샵

EMC 설계 대책 사례 워크샵

Presentation Transcript