LVDS 기술로 휴대전화용 카메라 및 디스플레이 관련 EMI 문제해결

2부: 휴대전화의 진화와 모바일 컨버전스의 조건

오늘날 점차 소형화, 경량화되어 가고 있는 휴대전화가 주변환경에 악영향을 미칠 가능성은 점점 더 높아지고 있다. 그 이유는 단순히 수적으로도 많아졌을 뿐만 아니라, 다른 휴대용 장비와 가까운 거리에서 사용될 가능성이 높아졌기 때문이다. 20년 전까지만 해도 휴대전화가 심장 전기충격기 근처에서 사용되는 일은 거의 없었으나, 근래에는 일상적으로 있는 일이다.대표적인 EMI 문제휴대전화의 EMI(Electromagnetic Intereference: 전자기 간섭) 문제는 다음과 같은 3가지 범주로 나뉘어진다.1. 제품품질시험(product qualification) 과정에서 규정(FCC 및 ETS/EN 테스트)을 월등히 초과하는 양의 EMI 방사2. 규정을 초과하지는 않지만 주변에 있는 장비에 좋지 않은 영향을 미치는 EMI3. 고조파와 기타 위조 신호(spurious signal)가 휴대전화 자체에 악영향을 미치는 EMIProducts on the Edge휴대전화는 통상 하나의 공급업체에 의해 설계되지만, 여러 나라에서 판매될 수 있다. 그러나 유감스럽게도 각국의 휴대전화 관련 규제에는 차이가 있기 때문에 종종 한 나라의 표준이나 시험 결과가 다른 나라에서는 인정되지 않는 경우가 있다. 예를 들어, 휴대전화는 각 나라가 규정하고 있는 EMI 시험을 통과해야만 한다.한 나라에서 가까스로 시험을 통과한 장비가 다른 나라에서는 거의 실격될 수도 있다. 또 동일한 설계의 제품이 EMI 시험의 결과를 반영하기 위하여 다양한 모델 번호로 판매되는 경우도 허다하며, 어느 특정 지역의 규제를 통과하기 위해 소소한 회로상의 설계변경이 이루어지는 경우도 있다.고조파가 휴대전화 애플리케이션에 좋지 않은 이유고조파는 기본 주파수의 정배수이다. 예를 들어 휴대전화에서 100MHz로 작동하는 구형파(square wave) 클록을 스펙트럼 분석기로 분석해 보면, 300MHz, 500MHz, 700MHz에서 현격한 고조파를 나타내는 경우가 있다. 이외에도 스펙트럼 분석기 상에 고점으로 나타나는 것들이 있지만, 이것은 국부 기생 발진(local parasitic oscillation)이나 신호 반사의 결과 발생하는 위조 신호일 수도 있다. 불행히도 상기한 휴대전화의 예에서 100MHz로 동작하는 클록의 경우에는 700MHz와 900MHz에서 고조파가 존재할 수 있다. FCC의 2004년 4월 13일자 주파수 배정표(Frequency Allocation Table)에 따르면, 900MHz 주파수는 고정 지상 이동기지국이 이용하고 있고 700MHz는 고정 이동방송에 배정되어 있다. 따라서 상기한 잡음이 있는 클록을 가진 휴대전화의 경우, 이러한 이동기지국만 방해를 할 확률이 높다.그런데 실제로는 이 휴대전화 클록이 정확히 100MHz에서 작동하지 않는 수가 있다. 100MHz에 약간 못 미치는, 예를 들어 97MHz에서 작동하는 경우도 있다. 이 경우 9차 고조파가 873MHz에 나타나게 된다. FCC 주파수 배정표에 의하면, 873MHz는 휴대전화 주파수 대역의 거의 중간이다. 이것은 이 휴대전화의 클록 주파수가 휴대전화 수신기 자체의 감도를 극도로 저하시켜 거의 무용지물로 만들 수 있음을 의미한다.LVDS 기술LVDS 기술은 비교적 새로운 기술로서 기존의 TTL과 LVTTL 기술을 대체하고 있다. LVDS는 표준 기반의 기술로서 TTL이나 LVTTL과는 달리, 하나가 아닌 두 개의 전도체 경로를 이용한다. 두 개의 전도체 경로를 이용하는 것은 하나를 이용하는 것보다 비능률적으로 보일 수도 있으나, 실은 이러한 이중 전도체 시스템은 단일 시스템에 비해 보다 빠른 속도로 작동할 수 있는 분명한 이점이 있다.여기서 언급해야 할 것은 TTL이나 LVTTL에서도 두 번째 전도체는 존재한다는 것인데, 이에 해당되는 것이 바로 power ground이다. LVDS 기술에서는 2개의 전선이 반대극(opposing polarities)을 이용하는데, 이러한 극은 데이터 입력이 바뀜과 동시에 바뀐다. 극 변화가 이루어지고 있는 동안 이 2개의 전선에는(전선 외에도 flex circuit wire나 twisted pair와 같은 매체도 사용 가능) 반대 전류가 흐른다. 반대 전류는 사실상 서로의 전하를 상쇄하기 때문에 전류의 순 변화량은 비교적 적다. 바로 이러한 이점과 전압 스윙(voltage swing)이 TTL의 3.3V나 5.0V 보다는 일반적으로 350mV라는 점이 전반적인 전류 변화를 상당량 줄이는 결과로 이어지고, 궁극적으로는 EMI 자체가 감소하게 된다.LVTTL과 LVDS의 일반적인 애플리케이션 방사량 비교 대조양 기술을 직접적으로 비교해 보는 수단으로서 인터페이스 기술만을 비교하는 시험이 설정되었다. 이외의 파라미터나 장비, 시험환경은 동일하다. 이 시험에서의 파라미터는 단일 비트, 100MHz, 반복적 구형파이었고 전송 매질은 10cm flex 회로였다. 10cm는 오늘날 사용되는 휴대전화의 전형적인 길이를 나타낸다. 동일한 회로판을 제작하여 1세트는 LVDS 디바이스를 사용하고, 다른 1세트는 LVTTL 디바이스를 사용했다. 그림 1은 이러한 시험설정을 나타낸 것이다.측정방법EMI 방사량 시험에는 통상 Faraday cage와 특정 대역을 위한 안테나 세트를 갖춘 스펙트럼 분석기가 사용된다. 이는 회로판과 케이블 길이, 그리고 전반적인 제품설계에 의해 큰 영향을 받을 수 있다. 그 결과 특정 제품에서 아주 구체적인 EMI 흔적을 남기게 되는 far field 고감도 측정에는 상당히 효과적인 방법이다. 즉, (고감도 측정에서는) 인터커넥트 flex 케이블이 50cm 일 때는 두 회로판이 정상적으로 기능하지만 케이블 길이가 1미터가 되면 파장 공명 지점이 1/4이나 떨어질 수 있다.전도된 방사량을 측정하는 시험이 부적절 할 때 서로 다른 인터페이스 기술이 방사되는 EMI량만을 비교하게 되는 측정방법에 near field EMI 시험이라는 것이 있다(그림 2). Near field 시험에서는 조정된(calibrated) ‘프로브’를 전송 매질에 아주 가깝게 설치하게 된다. 이 프로브 자체는 50Ω feed point를 가진 아주 작은 다이폴안테나로서 스펙트럼 분석기에 직접 연결할 수 있다.이러한 near field 프로브를 이용하여 실제 방사량을 대표하는 방사 전류를 측정할 수 있고, ‘감지(sniff)’ 이동하면서 특정 방사 노드를 색출할 수 있다. Near field 프로브는, 1회전 loop의 출력 전압은 그 loop 안에 흐르고 있는 총 자속(magnetic flux)의 시변화율(time rate of change)에 비례한다는 패러데이의 전자기유도 법칙(Faraday`s law of Induction)에 의한 것이다. 그림 2는 일반적인 near field 프로브를 나타낸 것이다.측정결과스펙트럼 내용 측정은 여러 강도의 고조파를 적절히 대표하기 위해 선별된 다양한 대역에서 이루어졌고, 시험 장비의 대역폭으로 인해 발생하는 주요 고조점들도 ‘제거’ 되지는 않았다. 여기서 주목해야 할 것은 스펙트럼 폭이 상대적으로 커지면 95에서 305, 그리고 100에서 1000MHz 대역에서는 그 증가분이 강도 10만큼 상쇄된다는 것이다. 각 기술간의 차이를 분명히 나타내기 위해 스펙트럼 내용을 각각 3개의 서로 다른 대역에서 표시했다.쪾부록 1: 기본 주파수 100MHz에서의 LVDS와 LVTTL 비교쪾부록 2: 95MHz에서 305MHz까지의 LVDS와 LVTTL 비교쪾100MHZ에서 1000MHz까지의 LVDS와 LVTTL 비교두 부록에 나오는 스펙트럼 분석은 그림 3과 같이 요약될 수 있다. 기본 주파수에서 LVDS 방사값은 LVTTL과는 달리 -30dB 이상일 수 있다. 이러한 경향은 일반적으로 계속되다가 고조파가 계측 장비의 잡음 한계치에 근접해 오면 점차 줄어든다.제품설계상의 직접적인 이점회로 설계 구상단계에서부터 EMI가 적은 부품을 사용하면 몇 가지 이점이 있다. 그러나 불행히도 이러한 이점들에 대한 인식은 제품 설계 작업을 여러 차례 거치고 나서야 이루어지는 경우가 많다.1. 부품비용 축소: 종종 엄격한 규제사항들을 준수하기 위해 여러 부품, 회로를 추가해서 EMI의 악영향을 상쇄시키려 할 수 있다. 이러한 구성에는 페라이트 비즈(ferrite beads)/디스크, 커패시터, 코먼 모드 쵸크(common mode choke), 그리고 회로 보드 접지판까지도 포함될 수 있다. LVDS 유형의 기술을 사용하면 이러한 부품의 수를 줄이거나 완전히 제거할 수 있다.2. 제품 설계 시간 단축: EMI의 악영향을 최소화시키는데 소요되는 시간은 상당하기 때문에 흔히 엔지니어링과 기술 실험실 자원이 수개월 동안 묶일 수 있다.이 글에서는 다루지 않았지만, 이밖에도 여러 이점이 있다. 그러므로 설계자는 휴대전화의 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 소비전력이나 ES

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