기술기고문
전도 방사 시험에서 CM 및 DM 방사를 분리하는 실용적 방법
글: 링 지앙(Ling Jiang) AE, 프랭크 왕(Frank Wang) EMI 엔지니어, 키스 솔루샤(Keith Szolusha) 애플리케이션 디렉터, 커크 매튜스(Kurk Mathews) 선임 애플리케이션 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
스위칭 레귤레이터에서 발생하는 EMI는 복사 방사와 전도 방사(CE)로 구분된다. 이 글은 전도 방사에 초점을 맞춘다.
CE는 공통 모드(CM) 잡음과 차동 모드(DM) 잡음의 두 가지 범주로 세분화할 수 있다. CM과 DM을 구분하는 이유는 CM 잡음에 효과적인 EMI 완화 기법이 DM 잡음에 반드시 효과적인 것은 아니며, 반대의 경우 역시 마찬가지이기 때문인데, CE의 원인을 식별함으로써 EMI를 억제하는 데 드는 시간과 비용을 절약할 수 있다. 이 글에서는 LTC7818 제어 스위칭 레귤레이터의 전체 전도 방사에서 CM 방사와 DM 방사를 분리하는 실용적인 방법을 소개한다. CE 스펙트럼에서 CM 잡음과 DM 잡음이 어디에 나타나는지 파악하면 전원공급장치 설계자는 효과적으로 EMI 억제 기법을 적용하여, 궁극적으로 시간과 BOM 비용을 절감할 수 있다.
그림 1. 벅 컨버터에서의 CM 잡음 경로와 DM 잡음 경로
그림 1은 일반적인 벅 컨버터의 CM 잡음과 DM 잡음 경로를 보여준다. DM 잡음은 전원선과 리턴선 사이에서 발생하는 반면, CM 잡음은 부유 커패시턴스(CSTRAY)를 통해 전원선과 접지면(구리 테스트 테이블 등) 사이에서 발생한다. CE 측정을 위한 LISN(line impedance stabilization network)은 전원공급장치와 벅 컨버터 사이에 위치한다. LISN 자체는 CM과 DM 잡음을 직접 측정하는 데 사용할 수 없지만, 전원과 리턴 전원선 잡음(그림 1의 V1과 V2)을 각각 측정한다. 이들 전압은 50Ω 저항에서 측정된다. 그림 1에서 보듯이 V1과 V2는 CM 및 DM 잡음의 정의에 따라 각각 CM 전압(VCM)과 DM 전압(VDM)의 합과 차로 나타낼 수 있다. 따라서 VCM은 V1과 V2의 평균으로, VDM은 V1과 V2의 차의 절반으로 계산할 수 있다.
CM 잡음과 DM 잡음 측정
T형 전력 결합기는 2개의 입력 신호를 단일 포트 출력으로 결합하는 수동 장치이다. 0° 결합기는 입력 신호의 벡터 합을 출력 포트에 생성하고, 180° 결합기는 입력 신호의 벡터 차를 생성한다. 따라서 0° 결합기는 VCM을 생성하는데 사용하고, 180° 결합기는 VDM을 생성하는 데 사용할 수 있다.
그림 2에 보이는 미니서킷(Mini-Circuits)의 결합기 2개, 즉 ZFSC-2-1W+(0°)와 ZFSCJ-2-1+(180°)를 사용하여 1MHz ~ 108MHz에서 VCM과 VDM을 측정하였다. 이들 장치는 1MHz 미만의 주파수에서는 측정 오차가 커진다. 따라서 더 낮은 주파수 측정에는 ZMSC-2-1+(0°)와 ZMSCJ-2-2(180°)와 같은 다른 결합기를 사용할 것을 권장한다.
그림 2. 0° 및 180° 결합기
그림 3. (a) VCM 및 (b) VDM 측정을 위한 실험 설정
그림 4. CM 잡음과 DM 잡음 측정을 위한 테스트 설정
테스트 설정 다이어그램은 그림 3에서 볼 수 있다. 전력 결합기를 표준 CE 테스트 설정에 추가한다. 전원선과 리턴선을 위한 LISN의 출력은 각각 결합기의 입력 포트 1과 입력 포트 2에 연결한다. 0° 결합기의 경우 출력 전압은 VS_CM = V1 + V2이고, 180° 결합기의 출력 전압은 VS_DM = V1 – V2이다.
결합기 VS_CM 및 VS_DM의 출력 신호는 VCM과 VDM을 생성하기 위해 테스트 수신기에서 처리돼야 한다. 먼저, 전력 결합기는 수신기에서 보상되는 삽입 손실을 지정하였다. 둘째, VCM = 0.5VS_CM이고, VDM = 0.5VS_DM이므로 테스트 수신기는 수신된 신호에서 추가로 6dBµV를 뺀다. 이들 두 가지 요소를 보상한 후, 측정된 CM 잡음과 DM 잡음을 테스트 수신기에서 읽는다.
CM 잡음 및 DM 잡음 측정에 대한 실험적 검증
듀얼 벅 컨버터가 있는 표준 데모 보드를 사용하여 이 방법론을 검증한다. 데모 보드의 스위칭 주파수는 2.2MHz이고 VIN = 12 V, VOUT1 = 3.3V, IOUT1 = 10A, VOUT2 = 5V, 그리고 IOUT2 = 10A이다. 그림 4는 EMI 체임버의 테스트 설정을 보여준다.
그림 5와 그림 6은 시험 결과를 나타낸 것이다. 그림 5에서 높은 EMI 곡선은 표준 CISPR 25 설정으로 측정한 전체 전압 방법 CE를 보여주며, 낮은 방사 곡선은 0° 결합기를 추가하여 측정한 분리된 CM 잡음을 보여준다. 그림 6에서 높은 방사 곡선은 전체 CE를 나타내고, 낮은 EMI 곡선은 180° 결합기를 추가하여 측정한 분리된 DM 잡음을 나타낸다. 이 시험 결과는 이론적 분석과 일치하며, DM 잡음은 낮은 주파수 범위의 잡음에서 지배적이고, CM 잡음은 높은 주파수 잡음에서 지배적이라는 것을 보여준다.
그림 5. 측정된 CM 잡음 vs. 총 잡음
그림 6. 측정된 DM 잡음 vs. 총 잡음
조정된 데모 보드는 CISPR 25 Class 5 기준을 통과
측정된 결과에 따르면, 총 잡음 방사는 30MHz ~ 108MHz 범위에서 CISPR 25 Class 5의 제한을 초과한다. CM 및 DM 잡음 측정을 분리한 결과, 이 범위에서 높은 전도 방사는 CM 잡음에 의한 것임을 알 수 있다. DM EMI 필터를 추가 또는 향상시키거나, 입력 리플을 감소시키는 것은 의미가 없다. 이러한 완화 기법이 이 범위에서 문제가 되는 CM 잡음을 감소시키지 않기 때문이다.
따라서 특별히 CM 잡음을 해결하는 방법을 이 데모 보드에 구현해야 한다. CM 잡음 원인의 하나는 스위칭 회로에서 발생하는 높은 dV/dt 신호이다. 게이트 저항을 늘려 dV/dt를 감소시키면 잡음 레벨을 낮출 수 있다. 앞서 언급했듯이 CM 잡음은 부유 커패시턴스(CSTRAY)를 통해 LISN을 통과한다. CSTRAY가 작을수록 LISN에서 검출되는 CM 잡음이 낮다. CSTRAY를 줄이려면 이 데모 보드에서 스위치 노드의 구리 영역을 줄여야 한다. 또한 CM EMI 필터를 컨버터의 입력에 추가하여 높은 CM 임피던스를 얻음으로써 LISN에 들어가는 CM 잡음을 줄일 수 있다. 이러한 방법을 구현하면 그림 7에서 보듯이 30MHz ~ 108MHz 범위에서의 잡음이 CISPR 25 Class 5를 준수하기에 충분한 수준으로 감소된다.
그림 7. 향상된 총 잡음
맺음말
지금까지 CM 잡음과 DM 잡음을 전체 전도 방사에서 분리하고 측정하는 실용적인 방법을 살펴보았으며 시험 결과를 검증하였다. 설계자가 CM과 CM 잡음을 분리할 수 있다면, 특정 CM 또는 DM에 대한 완화 솔루션을 구현하여 잡음을 효과적으로 억제할 수 있다. 전반적으로 이 방법은 EMI 문제의 근본 원인을 빠르게 찾도록 도와주므로 EMI 설계 시간을 줄일 수 있게 해준다.
저자 소개
링 지앙(Ling Jiang)은 2018년에 미국 녹스빌 테네시대학에서 전기공학 박사학위(Ph.D)를 받았다. 졸업 후 캘리포니아주 산타클라라에 있는 아나로그디바이스 전력 제품 사업부에 입사했다. 현재 애플리케이션 엔지니어로서 자동차, 데이터 센터, 산업 및 기타 애플리케이션을 위한 컨트롤러 및 µModule 디바이스를 지원하고 있다. 문의: ling.jiang@analog.com
프랭크 왕(Frank Wang)은 미국 댈러스 텍사스대학에서 전기공학 석사학위를 받았으며, 아나로그디바이스에 입사하기 전 독립된 공인 호환성 연구소에서 근무했다. 4년 간 EMC/EMI 테스트 엔지니어 및 프로젝트 리더로서 관련 업무 경험을 익혔다. 표준 테스트, 일정 관리, 엔지니어와 함께 작업하는 디버깅, 테스팅 계측기 보정, 체임버 유지보수 등과 관련한 풍부한 경험을 가지고 있다. 문의: frank.wang@analog.com
키스 솔루샤(Keith Szolusha)는 미국 캘리포니아주 산타클라라에 있는 아나로그디바이스의 애플리케이션 디렉터이다. BBI 전력 제품 사업부에서 부스트, 벅-부스트 및 LED 드라이버 제품을 담당하고 있으며, 전력 제품 EMI 체임버 라인도 관리한다. 매사추세츠주 케임브리지에 있는 MIT에서 1997년에 B.S.E.E.를, 1998년에 M.S.E.E.를 받았으며 테크니컬 라이팅을 공부했다. 문의: keith.szolusha@analog.com
커크 매튜스(Kurk Mathews)는 캘리포니아 아나로그디바이스의 전력 제품 사업부 선임 애플리케이션 매니저이다. 1994년에 애플리케이션 엔지니어로 리니어테크놀로지(현 아나로그디바이스)에 입사했으며 절연 컨버터와 고전력 제품을 지원해 왔다. 전력 제품 사업부는 전력 애플리케이션과 새로운 컨트롤러, 모놀리식 컨버터, 게이트 드라이버 개발을 지원한다. 아날로그 회로의 설계 작업과, 다양한 신형 및 구형 시험 장비를 사용한 문제 해결을 즐긴다. 애리조나 대학교에서 전기공학을 전공했다. 문의: kurk.mathews@analog.com.
스위칭 레귤레이터에서 발생하는 EMI는 복사 방사와 전도 방사(CE)로 구분된다. 이 글은 전도 방사에 초점을 맞춘다.
CE는 공통 모드(CM) 잡음과 차동 모드(DM) 잡음의 두 가지 범주로 세분화할 수 있다. CM과 DM을 구분하는 이유는 CM 잡음에 효과적인 EMI 완화 기법이 DM 잡음에 반드시 효과적인 것은 아니며, 반대의 경우 역시 마찬가지이기 때문인데, CE의 원인을 식별함으로써 EMI를 억제하는 데 드는 시간과 비용을 절약할 수 있다. 이 글에서는 LTC7818 제어 스위칭 레귤레이터의 전체 전도 방사에서 CM 방사와 DM 방사를 분리하는 실용적인 방법을 소개한다. CE 스펙트럼에서 CM 잡음과 DM 잡음이 어디에 나타나는지 파악하면 전원공급장치 설계자는 효과적으로 EMI 억제 기법을 적용하여, 궁극적으로 시간과 BOM 비용을 절감할 수 있다.
그림 1. 벅 컨버터에서의 CM 잡음 경로와 DM 잡음 경로
그림 1은 일반적인 벅 컨버터의 CM 잡음과 DM 잡음 경로를 보여준다. DM 잡음은 전원선과 리턴선 사이에서 발생하는 반면, CM 잡음은 부유 커패시턴스(CSTRAY)를 통해 전원선과 접지면(구리 테스트 테이블 등) 사이에서 발생한다. CE 측정을 위한 LISN(line impedance stabilization network)은 전원공급장치와 벅 컨버터 사이에 위치한다. LISN 자체는 CM과 DM 잡음을 직접 측정하는 데 사용할 수 없지만, 전원과 리턴 전원선 잡음(그림 1의 V1과 V2)을 각각 측정한다. 이들 전압은 50Ω 저항에서 측정된다. 그림 1에서 보듯이 V1과 V2는 CM 및 DM 잡음의 정의에 따라 각각 CM 전압(VCM)과 DM 전압(VDM)의 합과 차로 나타낼 수 있다. 따라서 VCM은 V1과 V2의 평균으로, VDM은 V1과 V2의 차의 절반으로 계산할 수 있다.
CM 잡음과 DM 잡음 측정
T형 전력 결합기는 2개의 입력 신호를 단일 포트 출력으로 결합하는 수동 장치이다. 0° 결합기는 입력 신호의 벡터 합을 출력 포트에 생성하고, 180° 결합기는 입력 신호의 벡터 차를 생성한다. 따라서 0° 결합기는 VCM을 생성하는데 사용하고, 180° 결합기는 VDM을 생성하는 데 사용할 수 있다.
그림 2에 보이는 미니서킷(Mini-Circuits)의 결합기 2개, 즉 ZFSC-2-1W+(0°)와 ZFSCJ-2-1+(180°)를 사용하여 1MHz ~ 108MHz에서 VCM과 VDM을 측정하였다. 이들 장치는 1MHz 미만의 주파수에서는 측정 오차가 커진다. 따라서 더 낮은 주파수 측정에는 ZMSC-2-1+(0°)와 ZMSCJ-2-2(180°)와 같은 다른 결합기를 사용할 것을 권장한다.
그림 2. 0° 및 180° 결합기
그림 3. (a) VCM 및 (b) VDM 측정을 위한 실험 설정
그림 4. CM 잡음과 DM 잡음 측정을 위한 테스트 설정
테스트 설정 다이어그램은 그림 3에서 볼 수 있다. 전력 결합기를 표준 CE 테스트 설정에 추가한다. 전원선과 리턴선을 위한 LISN의 출력은 각각 결합기의 입력 포트 1과 입력 포트 2에 연결한다. 0° 결합기의 경우 출력 전압은 VS_CM = V1 + V2이고, 180° 결합기의 출력 전압은 VS_DM = V1 – V2이다.
결합기 VS_CM 및 VS_DM의 출력 신호는 VCM과 VDM을 생성하기 위해 테스트 수신기에서 처리돼야 한다. 먼저, 전력 결합기는 수신기에서 보상되는 삽입 손실을 지정하였다. 둘째, VCM = 0.5VS_CM이고, VDM = 0.5VS_DM이므로 테스트 수신기는 수신된 신호에서 추가로 6dBµV를 뺀다. 이들 두 가지 요소를 보상한 후, 측정된 CM 잡음과 DM 잡음을 테스트 수신기에서 읽는다.
CM 잡음 및 DM 잡음 측정에 대한 실험적 검증
듀얼 벅 컨버터가 있는 표준 데모 보드를 사용하여 이 방법론을 검증한다. 데모 보드의 스위칭 주파수는 2.2MHz이고 VIN = 12 V, VOUT1 = 3.3V, IOUT1 = 10A, VOUT2 = 5V, 그리고 IOUT2 = 10A이다. 그림 4는 EMI 체임버의 테스트 설정을 보여준다.
그림 5와 그림 6은 시험 결과를 나타낸 것이다. 그림 5에서 높은 EMI 곡선은 표준 CISPR 25 설정으로 측정한 전체 전압 방법 CE를 보여주며, 낮은 방사 곡선은 0° 결합기를 추가하여 측정한 분리된 CM 잡음을 보여준다. 그림 6에서 높은 방사 곡선은 전체 CE를 나타내고, 낮은 EMI 곡선은 180° 결합기를 추가하여 측정한 분리된 DM 잡음을 나타낸다. 이 시험 결과는 이론적 분석과 일치하며, DM 잡음은 낮은 주파수 범위의 잡음에서 지배적이고, CM 잡음은 높은 주파수 잡음에서 지배적이라는 것을 보여준다.
그림 5. 측정된 CM 잡음 vs. 총 잡음
그림 6. 측정된 DM 잡음 vs. 총 잡음
조정된 데모 보드는 CISPR 25 Class 5 기준을 통과
측정된 결과에 따르면, 총 잡음 방사는 30MHz ~ 108MHz 범위에서 CISPR 25 Class 5의 제한을 초과한다. CM 및 DM 잡음 측정을 분리한 결과, 이 범위에서 높은 전도 방사는 CM 잡음에 의한 것임을 알 수 있다. DM EMI 필터를 추가 또는 향상시키거나, 입력 리플을 감소시키는 것은 의미가 없다. 이러한 완화 기법이 이 범위에서 문제가 되는 CM 잡음을 감소시키지 않기 때문이다.
따라서 특별히 CM 잡음을 해결하는 방법을 이 데모 보드에 구현해야 한다. CM 잡음 원인의 하나는 스위칭 회로에서 발생하는 높은 dV/dt 신호이다. 게이트 저항을 늘려 dV/dt를 감소시키면 잡음 레벨을 낮출 수 있다. 앞서 언급했듯이 CM 잡음은 부유 커패시턴스(CSTRAY)를 통해 LISN을 통과한다. CSTRAY가 작을수록 LISN에서 검출되는 CM 잡음이 낮다. CSTRAY를 줄이려면 이 데모 보드에서 스위치 노드의 구리 영역을 줄여야 한다. 또한 CM EMI 필터를 컨버터의 입력에 추가하여 높은 CM 임피던스를 얻음으로써 LISN에 들어가는 CM 잡음을 줄일 수 있다. 이러한 방법을 구현하면 그림 7에서 보듯이 30MHz ~ 108MHz 범위에서의 잡음이 CISPR 25 Class 5를 준수하기에 충분한 수준으로 감소된다.
그림 7. 향상된 총 잡음
맺음말
지금까지 CM 잡음과 DM 잡음을 전체 전도 방사에서 분리하고 측정하는 실용적인 방법을 살펴보았으며 시험 결과를 검증하였다. 설계자가 CM과 CM 잡음을 분리할 수 있다면, 특정 CM 또는 DM에 대한 완화 솔루션을 구현하여 잡음을 효과적으로 억제할 수 있다. 전반적으로 이 방법은 EMI 문제의 근본 원인을 빠르게 찾도록 도와주므로 EMI 설계 시간을 줄일 수 있게 해준다.
저자 소개
링 지앙(Ling Jiang)은 2018년에 미국 녹스빌 테네시대학에서 전기공학 박사학위(Ph.D)를 받았다. 졸업 후 캘리포니아주 산타클라라에 있는 아나로그디바이스 전력 제품 사업부에 입사했다. 현재 애플리케이션 엔지니어로서 자동차, 데이터 센터, 산업 및 기타 애플리케이션을 위한 컨트롤러 및 µModule 디바이스를 지원하고 있다. 문의: ling.jiang@analog.com
프랭크 왕(Frank Wang)은 미국 댈러스 텍사스대학에서 전기공학 석사학위를 받았으며, 아나로그디바이스에 입사하기 전 독립된 공인 호환성 연구소에서 근무했다. 4년 간 EMC/EMI 테스트 엔지니어 및 프로젝트 리더로서 관련 업무 경험을 익혔다. 표준 테스트, 일정 관리, 엔지니어와 함께 작업하는 디버깅, 테스팅 계측기 보정, 체임버 유지보수 등과 관련한 풍부한 경험을 가지고 있다. 문의: frank.wang@analog.com
키스 솔루샤(Keith Szolusha)는 미국 캘리포니아주 산타클라라에 있는 아나로그디바이스의 애플리케이션 디렉터이다. BBI 전력 제품 사업부에서 부스트, 벅-부스트 및 LED 드라이버 제품을 담당하고 있으며, 전력 제품 EMI 체임버 라인도 관리한다. 매사추세츠주 케임브리지에 있는 MIT에서 1997년에 B.S.E.E.를, 1998년에 M.S.E.E.를 받았으며 테크니컬 라이팅을 공부했다. 문의: keith.szolusha@analog.com
커크 매튜스(Kurk Mathews)는 캘리포니아 아나로그디바이스의 전력 제품 사업부 선임 애플리케이션 매니저이다. 1994년에 애플리케이션 엔지니어로 리니어테크놀로지(현 아나로그디바이스)에 입사했으며 절연 컨버터와 고전력 제품을 지원해 왔다. 전력 제품 사업부는 전력 애플리케이션과 새로운 컨트롤러, 모놀리식 컨버터, 게이트 드라이버 개발을 지원한다. 아날로그 회로의 설계 작업과, 다양한 신형 및 구형 시험 장비를 사용한 문제 해결을 즐긴다. 애리조나 대학교에서 전기공학을 전공했다. 문의: kurk.mathews@analog.com.
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