최근 자동차의 전장화로 인해 차량의 작동은 물론 엔터테인먼트와 편의 기능들에서 점점 더 많은 전자장치에 의존함에 따라, 간섭 오류 없이 작동하고 차량 내 다른 시스템에 간섭을 일으키지 않아야 하는 요구사항이 더욱 커지고 있다. 따라서 이 글에서는 EMC 및 EMI 간섭 없이 장비 및 요건에 적합한 설계법을 알아본다.

오토모티브 산업 및 개별 오토모티브 제조업체들은 제품을 제조할 때 여러 전자기 호환성(EMC) 요건을 충족시켜야 한다. 이 두 가지 요건은 전자 시스템이 과도한 전자기간섭(EMI)이나 잡음을 방출하지 않아야 하며, 다른 시스템이 방출하는 잡음에 영향을 받지 않아야 한다는 것이다. 이 글에서는 이러한 요건들을 살펴보고 장비 및 요건에 적합하게 설계할 수 있는 몇 가지 요령과 기법을 제안하고자 한다. 

EMCU 요건 개요

CISPR 25는 차량에 설치할 부품의 방사 잡음 레벨을 평가하기 위해 허용치를 설정한 몇 가지 검사 방식들의 표준이다1), 2). CISPR 25가 제조사에 제시하는 지침 외에도 대부분의 제조업체들은 자체 표준 세트로 CISPR 25 가이드라인을 증대하고 있다. CISPR 25 검사의 주된 목적은 자동차에 설치할 부품이 차량 내 다른 시스템을 간섭하지 않게 하는데 있다. 

CISPR 25는 검사가 수행되는 실내의 전자기 잡음 레벨이 측정 중인 최저 레벨보다 적어도 6dB 이상 낮을 것을 요구한다.

또한 18dB(μV/m)의 낮은 레벨을 감지할 수 있기 때문에 주변 레벨은 6dB 낮은 12dB(μV/m)보다 낮아야 한다. 이것은 안테나에서 1km 떨어진 전형적인 AM 방송국의 필드 강도이다3).

오늘날의 환경에서 이 요건을 충족할 수 있는 유일한 방법은 검사 환경을 외부 필드로부터 차폐(shield)할 수 있도록 설계 및 구축된 특수한 방에서 검사를 수행하는 것이다. 또한 보통 예산으로는 이 방의 크기가 한정적일 수밖에 없기 때문에, 이 방 안에서 발생하는 신호가 반사되지 않게 검사 환경을 보호하는 것도 중요하다. 

따라서 검사실 벽은 전자기(EM)파가 반사되지 않는 물질로 세워야 한다(그림 1). 검사실은 값이 비싸므로 한 시간 정도 대여하는 것이 보통이다. 비용을 절약하기 위해선 설계 단계에서 EMC/EMI 문제를 평가해야 이 방에서 단번에 성공을 이룰 수 있을 것이다. 

▲ 그림 1. 특수 원뿔 타일로 반사를 막고 있는 전형적인 검사실의 모습

또 다른 검사 표준은 ISO 11452-4 BCI(Bulk Current Injection) 테스트 세트이다. 이것은 부품이 협대역 전자기장에 불리한 영향을 받는지 확인하는데 쓰인다. 방해 신호를 와이어링 하네스(wiring harnesses)로 직접 유도시켜 전류 탐침기로 검사한다. 

성공적인 EMC 검사를 위한 10가지 요령

1. 루프를 작게 유지한다

자기장이 존재할 때, 전도성 물질의 루프는 안테나 역할을 하며, 자기장을 전류로 변환시켜 루프 주위를 흐르게 한다. 이 전류의 강도는 폐쇄 루프 면적에 비례한다. 따라서 최대한 루프가 존재하지 않게 하고, 필요한 폐쇄 면적을 최대한 작게 해야 한다. 차동 데이터 신호가 있을 때 루프가 존재할 수 있으며, 차동 라인을 가진 트랜스미터와 리시버 사이에서 형성될 수 있다.  

또 다른 루프는 2개의 서브시스템이 회로 하나를 공유할 때 형성될 수 있다. 예로 디스플레이와 그 디스플레이를 구동하는 엔진 제어 유닛(ECU)을 들 수 있다. 차량 내 섀시에는 하나의 공동 접지(GND) 연결부가 있는데, 디스플레이 말단과 시스템의 ECU 말단에서 이 GND와 연결된다. 비디오 신호가 자체 접지 와이어로 디스플레이에 연결되면, 접지 평면 내에 거대한 루프를 생성할 수 있다. 

이와 같은 루프를 피할 수 없는 경우도 있다. 그러나 인덕터나 페라이트 비드를 이 접지 접속부에 도입하면, DC 루프가 여전히 존재하더라도 RF 방출 관점에서 보면 이 루프는 깨진 것이 된다.   

또한 신호가 트위스트 페어케이블로 전송될 때 모든 차동 드라이버/리시버 쌍에 의해 루프가 형성된다. 일반적으로 링크의 케이블 부분에서 이러한 루프의 면적은 작은데, 이는 트위스트 페어가 촘촘하게 커플링 되어 있기 때문이다. 그러나 그 신호가 보드에 닿았을 때 촘촘한 커플링을 유지해야 이 루프 면적이 열리는 것을 막을 수 있다. 

2. 바이패스 커패시터는 필수적이다

CMOS 회로가 인기 있는 데에는 빠른 속도와 초저전력 소산이 가장 큰 이유이다. 이상적인 CMOS 회로는 상태를 바꿀 때, 그리고 노드 커패시턴스를 충전하거나 방전해야 할 때에만 전기를 소산한다. 전원 공급 장치 관점에서는 평균 10mA가 필요한 CMOS 회로는 클록 전환을 할 때, 사이클 사이에서 전류를 거의 끌어내지 않거나 아예 끌어내지 않을 수 있다. 따라서 방출을 제한하는 기법은 평균보다는 피크 전압 및 전류 값에 중점을 두고 있다.   

클록 전환 때 전원 공급 장치에서 칩의 전원 핀까지의 전류 서지가 방출의 가장 큰 원인이다. 바이패스 커패시터를 각각의 전원 핀에 가까이 배치하면 클록 엣지 과정에서 칩에 공급해야 할 전류가 바로 커패시터에서 나오게 된다. 그러면 캡에서의 전하가 사이클들 사이에서 더 낮고 더 꾸준한 전류로 쌓이게 된다. 커패시터가 클수록 큰 전류 서지를 공급하는 데 좋지만, 초고속 수요에는 반응이 떨어지는 경향이 있다. 

또한 아주 작은 커패시터는 요구에 재빨리 반응할 수 있지만, 총 전하 용량이 제한적이라 빨리 고갈될 수 있다. 대부분의 회로에 가장 좋은 솔루션은 서로 다른 크기의 커패시터들, 예컨대 1μF와 0.01μF 커패시터들을 병렬로 혼합해 사용하는 것이다. 여기서 작은 커패시터는 칩의 전원 핀에 아주 가까이 배치하고, 큰 커패시터는 멀리 배치하는 것이다. 

3. 모범적인 임피던스 매칭으로 EMI를 줄인다

고속 신호가 전송 라인을 통해 전송되고 그것이 그 라인 특유의 임피던스에서 변화를 접하게 되면, 신호 일부가 다시 신호의 소스 쪽으로 반사된다. 그리고 일부는 계속 원래 방향을 따라 지속되게 된다. 이러한 반사는 예외 없이 방출로 이어지게 된다. EMI를 낮추려면 모범적인 고속 설계가 필수적이다. 전송 라인 설계 정보를 얻을 수 있는 소스들은 매우 많다4), 5). 다음은 전송 라인을 설계할 때 몇 가지 주의할 점이다.

• ‌접지 평면과 신호 트레이스 사이에 신호가 존재한다는 것을 기억해야 한다. 방출의 원인은 신호 트레이스나 접지 평면의 중단 때문일 수 있으니, 접지 평면의 컷아웃이나 신호 트레이스 밑의 단절에 주의를 기울여야 한다.   

• ‌신호 트레이스에서는 뾰족한 각을 피하도록 한다. 직각보다는 완만하게 굽은 코너가 훨씬 더 낫다.

• ‌FPD-링크 신호는 부품이 탭 오프 되는 경우가 많다. 예를 들어, 동축케이블의 전원이나 전원 연결부, AC 커플링 캡 등이 그런 경우이다. 이러한 부품에서의 반사를 최소화하기 위해서는 0402와 같은 크기가 작은 부품을 사용하여 그 트레이스의 너비를 0402 부품 패드의 너비와 동일하게 설정해보자. 또한 쌓이는 유전체 두께를 제어하여 그 트레이스 특유의 임피던스를 설정해야 할 것이다. 

4. 실딩 

모범적인 실딩(Shielding) 기법도 잊지 말자. 방출을 최소화하기 위한 설계를 할 때, 회로의 오펜딩 부분 주위에 실드를 배치한다. 그래도 에너지가 방출되겠지만 모범적인 실딩은 시스템을 빠져나가기 전에 방출을 포착해 접지로 보낸다. 그림 2는 실딩이 EMI를 어떻게 제어하는지를 보여준다.   

▲ 그림 2. 실딩의 사례

실딩은 여러 형태를 띨 수 있다. 전도성 케이스로 시스템을 둘러 막는 간단한 형태일 수도 있고, 작은 맞춤형 금속 인클로저를 만들어 방출 소스에 납땜하는 형태일 수도 있다. 

5. 짧은 접지 연결

칩으로 흘러 드는 모든 전류 조각들은 다시 흘러 나간다. 이 글에서 논의한 몇몇 요령들은 바이패스 커패시터를 IC 근처에 둔다거나 루프를 작게 유지하는 등 짧은 칩 연결에 대해 설명하고 있다. 하지만 접지 전류가 그 소스로 다시 가기 위해 거쳐야 하는 경로에 대해서는 잊어버리기 쉽다. 이상적인 상황이라면 보드의 한 레이어가 접지에 전용되고 GND로의 경로는 그보다 그렇게 길지 않을 것이다. 

그렇지만 일부 보드 레이아웃은 접지 평면에 컷아웃이 있어 접지 전류가 칩에서 다시 전원 소스까지 먼 길을 거치게 강제할 수 있다. GND 전류가 이 길을 거치는 동안, 안테나 역할을 하며 잡음을 전송하거나 수신하게 된다. 

6. 필요 이상 빠르지 않도록 한다

타이밍 마진을 걱정하여 최대한 빠른 로직으로 최적의 타이밍 마진을 제공하려는 경향이 있다. 안타깝게도 너무 빠른 로직은 엣지가 날카롭고 매우 높은 주파수 콘텐츠를 가지고 있으므로 EMI를 발생시키기 쉽다. 시스템 EMI의 양을 줄일 수 있는 한 가지 방법은 타이밍 요건은 지키면서 최대한 로직을 짧게 하는 것이다. 

대다수 FPGA들은 드라이브 강도를 낮은 레벨에서 프로그래밍할 수 있도록 해주는데, 이것은 엣지 레이트를 늦추는 한 가지 방법이다. 어떤 경우에는 로직 라인의 직렬 레지스터들을 이용해 시스템의 신호 슬루 레이트를 떨어뜨릴 수도 있다. 

7. 공급장치 라인 인덕터

두 번째 요령에서 바이패스 커패시터로 전류 서지의 영향을 감소시키는 방법에 대해 설명했다. 공급장치 라인의 인덕터는 동전의 다른 쪽 면과 같다. 인덕터나 페라이트 비드를 전원 공급 장치 라인에 배치하면, 그 공급장치에 연결된 회로로부터 전원 소스가 아닌 바이패스 커패시터에서 동적 전원 요건을 끌어내도록 강제하게 된다. 

8. 스위칭 공급장치로의 입력부 캡

EMI 문제를 해결하고자 할 때 반복되는 문제가 dv/dt 및 di/dt를 줄이는 것이다. 이런 맥락에서 DC/DC 컨버터는 DC에서 DC로 직접 변환하지 않게 될 때까지는 전혀 무해한 것처럼 보일 수 있다. 하지만 오히려 이것은 DC에서 AC를 거쳐 DC로 이동한다. 따라서 중간의 AC가 EMI 문제를 일으킬 수 있다. 

오토모티브 설계자가 간섭 발생을 신경 쓰는 곳 중 하나는 AM 라디오 대역이다. 이것은 500kHz부터 1.5MHz까지 튜닝이 가능한 매우 민감한 하이게인 증폭기를 가지고 있는데, 어떤 부품이 이 대역에서 신호를 방출하면 AM 라디오에서 들릴 수 있다. 대다수 스위칭 파워 공급 장치는 이와 동일한 대역에서 스위칭 주파수를 사용한다. 그리고 이것은 오토모티브 애플리케이션에서 문제를 일으킨다. 

그 결과 대부분의 오토모티브 스위칭 공급장치는 이 대역보다 위에 있는 2MHz 이상의 스위칭 주파수를 사용한다. 스위칭 전원 공급 장치의 입력부나 출력부에서 필터링이 충분치 않을 경우, 이 스위칭 잡음의 일부가 근 주파수나 저조파 주파수에 민감할 수 있는 다른 서브시스템으로 새어 들어올 수 있다. 

9. 공진에 주의한다

여러 가지 간섭 원인들의 경우, 인덕터와 커패시터로 EMI를 일으킬 수 있는 dv/dt 및 di/dt 문제를 다스리도록 처방하고 있다. 그러나 인덕터와 커패시터는 자가 공진과 관련해 달갑지 않은 특성을 가질 수 있다. 

이것은 진동 에너지가 커져 문제를 일으키기 전에 저항기를 병렬로 인덕터에 추가하여 진동 에너지를 흡수하는 방식으로 교정할 수 있다. 또 다른 잠재적 문제는 직렬 인덕터가 있을 때 전원 라인의 개별 부품이나 기생 인덕턴스가 바이패스 커패시터를 가진 부품으로 이어진다는 데 있다. 그로 인한 L-C 회로는 공진 주파수에서 진동할 가능성이 있다. 이것 역시, 저항기를 인덕턴스와 병렬로 배치하여 다스릴 수 있다. 

10. 스프레드-스펙트럼 클록킹으로 피크 방출을 줄인다

FPD-Link SerDes(serializers & deserializers)와 같은 부품에서는 데이터 버스 및 클록이 스프레드-스펙트럼 클록킹 옵션을 갖는 경우가 있다. 스프레드-스펙트럼 클록킹에서는 클록 신호가 변조된다. 

그 결과 클록의 엣지가 에너지를 방출하게 되고, 데이터 신호는 원래 차지했을 주파수 대역보다 더 넓은 주파수 대역에 퍼지게 된다. EMI 사양은 대역 내의 어떤 주파수에서든 피크 방출을 제한하도록 정해져 있기 때문에, 더 넓은 대역에 걸쳐 잡음을 확산시키면 잡음 피크를 최소화하는데 도움이 될 수 있다.

디시리얼라이저(deserializer)의 좋은 예가 DS90UB914A -Q1이다. 이것은 종종 S90UB913A-Q1 시리얼라이저(serializer)와 함께 사용된다. 이 디바이스들은 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)의 카메라와 프로세스간에 비디오 링크를 제공하는 데 사용된다. 

디시리얼라이저는 카메라의 이미지 센서가 시리얼라이저에 제공했던 클록을 회복시키고 데이터와 함께 이 클록을 출력하여 프로세서가 이를 사용할 수 있게 한다. 고속 클록과 함께 동시 전환되는 10개 또는 12개의 고속 데이터 라인들이 EMI의 가장 큰 원인이다. 

이 EMI를 완화하기 위해 DS90UB914A는 이미지 센서가 제공하는 낮은 지터 클록이 아닌 스프레드-스펙트럼 클록을 출력 데이터와 함께 사용할 수 있다. 스프레드-스펙트럼 클록은 디시리얼라이저의 레지스터를 통해 제어된다. 

차량의 작동은 물론 엔터테인먼트와 편의 기능들에서 자동차가 점점 더 많은 전자장치에 의존함에 따라, 간섭 오류 없이 작동하고 차량 내 다른 시스템에 간섭을 일으키지 않아야 하는 요구사항이 더욱 커지고 있다. 

이 글에서 소개한 요령 및 기법들을 지키고 적절한 부품을 선택한다면, 개발자들은 오토모티브 시스템의 EMI 문제없이 신뢰할 수 있는 견고한 시스템을 설계할 수 있을 것이다.

마크 사워야드 _ 텍사스 인스트루먼트