SMPS에 있어서 EMI 대책

SMPS

SMPS는 전력 반도체 소자의 스위칭을 통해서 트랜스포머의 이차측으로 에너지를 전달하는 시스템이기 때문에 EMI(Electromagnetic Interference) 노이즈가 많이 발생한다. 이 노이즈를 줄이기 위해서 많은 다양한 방법들이 연구되었다[1-5]. 그 중 노이즈를 차동모드와 공통모드로 분리하여 노이즈의 유형을 분석하고 이에 적합한 필터를 디자인하는 방법에 대한 연구는 매우 획기적인 일이다[3-6]. 하지만 가장 근본적인 방법은 노이즈 소스와 경로에 대한 대책이다. 이것이 시간과 비용을 줄일 수 있는 방법인데도 이에 대한 그 동안의 연구는 주로 비현실적인 제안이 많았고 또한 체계적이지 못해서 제품 설계자들에게는 EMI에 대한 대책이 여전히 어려운 숙제로 남아있어 기존의 경험에 의한 trial and error 방식을 취하고 있다.따라서 이 글에서는 EMI의 개요를 설명하고 실제로 SMPS를 설계할 때 적용할 수 있는 다양한 EMI 대책에 대해서 설명하겠다.EMI의 개요국제적으로 규제를 하고 있는 전자파 적합성(EMC: Electromagnetic Compatibility)은 그림 1과 같이 분류할 수 있는데 이 중 Emission이라 불리는 EMI는 전원선을 타고 나가는 전도성분(CE: 150kHz~30MHz)과 공중으로 나가는 방사성분(RE: 30MHz~1GHz)으로 나뉜다. 주로 Shielding이나 Grounding으로 대책을 세우는 방사성분은 제외하고 이 글에서는 전도 EMI인 CE에 대한 분석과 대책 안을 제시하고자 한다.그림 2에서 보는바와 같이 접지선을 포함한 입력 3단자에 흐르는 전류를 분석해보면 동작전류 IOP에 두 가지 노이즈 전류가 중첩돼서 흐른다.이러한 두 가지 종류의 노이즈 전류를 각각 공통모드(common-mode: CM) 노이즈 전류 ICM과 차동모드(differential-mode: DM) 노이즈 전류 IDM이라고 한다. 여기서 차동모드는 다른 용어로 노멀모드(normal-mode)라고도 한다. 이러한 두 전류가 결합되어 전체 노이즈 전류가 되는데 이 노이즈 전류는 LISN(Line Impedance Stabilization Network: 의사 전원 회로망)을 통해서 전압으로 검출되고 각 규제에서 제시하는 한계선(limit line)을 넘으면 안 된다.EMI 노이즈의 측정SMPS에서 발생하는 EMI 노이즈를 측정하기 위해서는 측정공간과 여러 가지 측정장비가 필요한데 그림 3은 전도 EMI를 측정하는 전자파 차폐실(Shield Enclosure)과 방사 EMI를 측정하는 전자파 무반사실(Anechoic Chamber)를 보이고 있다.전자파 차폐실은 길이 7[m] × 폭 3[m] × 높이 3[m]의 크기를 가지며 전자계 차폐효과는 100[dB] 정도의 성능을 갖는다. 또한 필터를 거친 깨끗한 전원이 공급되어 시험하는 EUT (Equipment Under Test)의 전원으로 공급된다. 전자파 차폐실에서 EUT를 동작시키고 LISN을 통해서 검출된 노이즈는 EMI Receiver나 EMI 측정기능이 내장된 스펙트럼 아날라이저로 EMI 노이즈의 값을 [dBμV]의 단위로 측정한다.전자파 무반사실은 그림 4와 같은 안테나를 이용하여 EUT에서 공간으로 방사하는 노이즈를 측정하는 공간이다. 보통 EUT와 안테나의 거리에 따라서 3[m] Chamber와 10[m] Chamber가 있는데 측정자료는 10[m] Chamber를 기준으로 한다. 전자파 무반사실의 벽면에는 전자파 흡수체를 부착하여 EUT에서 나온 방사노이즈를 흡수한다. 이는 벽면으로 온 방사노이즈가 반사되어 안테나에서 측정되지 않도록 하기 위함이다. 마찬가지로 안테나에서 측정된 노이즈는 EMI Receiver나 EMI 측정기능이 내장된 스펙트럼 아날라이저로 EMI 노이즈의 값을 [dBμV]의 단위로 측정한다.EMI 적용 규격현재 국제 및 국내적으로 적용되는 EMI 규격은 나라마다 약간의 차이가 있으나 일반적으로 국제전파장해특별위원회(CISPR)에서 발간되는 규격을 자국의 규격으로 채택하고 있다. 이 규격은 제품별로 나눠지는데 다음과 같다.① CISPR 14-1 : Household Appliances, Electric Tools and Similar Apparatus② CISPR 11 : ISM (Industrial Scientific and Medical) Equipment③ CISPR 13 : Equipment for broadcasting receiver④ CISPR 22 : ITE (Information Technology Equipment)우리나라도 위의 규격들을 인용하여 KN 14-1, KN 11, KN 13, KN 22로 사용하고 있는데 여기서 KN은 Korean Norm의 약자이다.위의 규격 중 가정에서 사용되는 SMPS 어댑터 등은 CISPR 14-1의 규제를 따르며 한계선(Limit Lines)은 그림 5와 같이 150kHz에서 30MHz의 주파수 범위에서 정해진 값을 갖는다. 여기서 윗선은 quasi peak선이고 아래 선은 average선이다. 참고적으로 위의 다른 규제들은 150kHz에서의 시작점이 quasi peak 값은 66[dBμV]이고 average 값은 56[dBμV]이고 나머지는 동일하다.EMI Receiver나 Spectrum Analyzer 내부의 검출기에서 검출하는 값은 Peak, Quasi Peak 그리고 Average 세 가지 값이다. Peak 값은 검출기의 충방전 시간이 100[ns]와 100[s]이다. 반면에 Quasi Peak 값은 1[ms]와 160[ms]이다[1]. 따라서 항상 식 (1)과 같은 관계를 갖고 있다.peak 값 > quasi peak 값 > average 값 … (1)Quasi Peak 값 측정에는 Peak 값 측정 시 보다 많은 시간이 걸린다. 그래서 일반적으로 주로 Peak 값을 측정하여 문제되는 부분만 Quasi Peak 값을 측정한다. 따라서 이 글에서도 Peak 값만을 측정하여 비교하였다.기존의 측정 시스템은 그림 6과 같이 시험할 제품(EUT)을 전자파 차폐실에 넣고 LISN을 통해서 나오는 신호를 Spectrum Analyzer로 측정을 하였다. 이 측정값은 앞에서도 언급했듯이 CM과 DM이 모두 포함된 신호이기 때문에 대책을 세우는데 상당히 많은 시간을 소비한다. 하지만 여기에서는 LISN에서 나오는 신호를 (주)이엠시스의 EA-2000을 사용하여 각 전원선의 전체 노이즈뿐만 아니라 CM과 DM을 각각 분리하여 측정하였고 따라서 각 노이즈 성분을 분석하고 대책을 세우는데 매우 용이했다[6].SMPS의 EMI 대책안SMPS의 입장에서만 보면 EMI 대책에는 표 1과 같이 노이즈 발생원 대책, 경로 대책 그리고 필터 대책이 있다.노이즈 발생원 대책에는 스위칭 회로에 스너버의 사용이나 게이트 드라이버 개선 등의 방법이 있는데 이러한 방법에 의해서는 주로 전도성분 중 10MHz 이상의 고주파 영역과 방사성분을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.경로 대책은 PCB 및 각 부품의 배치에 관련된 사항과 기생 커패시터를 줄이고 경로를 바꿔주는 것이다. 참고문헌 [1, 2]에서는 방열판과 트랜스포머의 Faraday Shield, 스위치의 재배치, 트랜스포머의 권선 방법 개선 등 많은 것들을 제시하였지만 이 중 가장 중요한 것이 접지방법이다. 충분히 노이즈 전류를 빼줄 수 있는 섀시 접지를 확보하고 노이즈 전류가 잘 빠지도록 접지를 시키는 것이 가장 바람직하다. 그림 7은 섀시 접지의 효과를 보여주는데 약 15~20[dBμV] 정도의 감쇠를 얻을 수 있고, 이 효과가 너무 커서 참고문헌 [1, 2]에서 제시한 여러 가지 방법들의 효과는 미비하게 나타난다.우리 주위에는 다양한 형태의 SMPS가 사용되고 있는데 EMI 대책의 관점에서 보면 노이즈 전류를 빼줄 수 있는 섀시가 있느냐 또는 없느냐에 따라서 두 가지로 나뉠 수 있다. 최근에 많이 사용되는 SMPS 어댑터는 보통 입력에 접지선도 없고 접지를 할 수 있는 섀시도 없는 최악의 조건을 갖고 있다. 따라서 위에서 언급한 두 가지 유형의 SMPS에 대해서 적절한 대책방법을 검토하겠다.섀시가 없는 SMPS의 대책SMPS 어댑터가 여기에 속하며 주로 전원선 접지가 없는 코드를 많이 사용한다. 따라서 Y-커패시터를 사용할 수도 없다. 따라서 여러 가지 노이즈 감쇠대책을 해 주어야 하는데 스너버의 효과는 미비하고, Faraday Shield는 그림 8과 같이 방열판이 floating된 경우와 비교해서 전 대역에서 약 10[dBμV]의 감쇠효과를 얻을 수 있지만 방열효과가 떨어지고 재료비가 상승하는 단점이 있어 실제로 적용하기는 어렵다. 트랜스포머의 기생 커패시터 효과를 줄이기 위해서 그림 9와 같이 바이패스 커패시터를 일, 이차측 그라운드에 접속해 주면 노이즈 전류의 경로를 바꿔줄 수 있어서 응용에 따라서 약 5~10[dBμV] 정도의 감쇠효과를 얻을 수 있다. 또한 가장 큰 노이즈를 발생시키는 부분은 그림 9의 점선 경로에서 스위치의 방열을 위한 방열판인데 방열판의 전위가 스위칭 주파수에 동기해서 심한 변화를 하기 때문에 적절한 처리를 해 주어야 한다. 그림 10은 방열판에 아무 대책을 하지 않은 것과 방열판을 스위치의 소스단자에 연결한

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이상헌 (webmaster@techworld.co.kr)

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