전자 장치의 기능을 방해하거나 손상시킬 수 있는 ‘노이즈’ 간섭의 양을 증가시키는 다양한 요소들이 존재합니다. 가장 기본적인 이유는 주위에 사용되는 전자 장치의 수가 많아졌다는 것입니다. 오늘날 자동차는 그 좋은 예시입니다. 한 대의 차량에는 Wi-Fi, 블루투스, 위성 라디오, GPS 시스템, LED 조명, 에어컨, 파워 스티어링, ABS, 후방 카메라 등 여러 장치들이 있습니다. 또한 전동 시트, 조절 가능한 미러, 와이퍼, 파워 윈도우, 선루프와 같이 DC 모터를 사용하는 다양한 기능도 포함되어 있습니다. 이러한 예시는 Wi-Fi나 블루투스가 탑재된 세탁기, 커피머신, 의료 기기, 심지어 의료용 이식 장치에도 적용될 수 있습니다.
이를 해결하기 위해 업계에서는 전통적으로 EMI 필터와 함께 차폐를 사용하여 원하지 않는 노이즈를 제거해왔습니다. 하지만 작아진 전자 장치와 작동 회로 주파수가 증가하면서 더 높은 주파수의 노이즈가 발생하고, 기존의 EMI/RFI 제거 솔루션은 더 이상 충분하지 않게 되었습니다. 또한, 오늘날의 전자 장치들은 더 낮은 전압에서 작동하므로 적은 에너지에도 노이즈에 더 쉽게 영향을 받습니다. 이로 인해 많은 OEM들은 2개의 커패시터 차동 방식, 3개의 커패시터(하나는 X캡, 나머지 2개는 Y캡), 관통 필터, 공통 모드 초크 등의 전통적인 방법을 피하고, 훨씬 더 작은 패키지에서 우수한 노이즈 억제를 제공하는 모놀리식 EMI 필터와 같은 더 이상적인 솔루션을 선택하고 있습니다.
EMI/RFI 노이즈
전자 장치가 강한 전자파를 받으면 원하지 않는 전류가 회로에 유도되어 의도치 않은 동작이 발생하거나 정상적인 동작이 방해받을 수 있습니다. 이는 전자 장치의 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있으며, 결국 장치의 신뢰성 및 안정성에 문제를 일으킬 수 있습니다. EMI(전자기 간섭)와 RFI(무선 주파수 간섭)는 이러한 간섭을 일으킬 수 있는 주요 원인으로, 전도성 방사성 방출 형태로 나타날 수 있습니다. EMI가 전도성일 때는 노이즈가 전기 전도체를 따라 이동하는 반면, 방사성 EMI는 노이즈가 공기 중을 통해 자기장이나 라디오파로 전파됩니다. 이러한 현상은 다른 장치의 성능에 악영향을 미칠 수 있으며, 다양한 통신 장비나 전자 장치에서 예기치 못한 문제를 초래할 수 있습니다.
특히, 외부에서 적용되는 에너지가 작아도 방송 및 통신에 사용되는 라디오파와 섞이면 방송 및 통신이 약한 곳에서는 수신 손실, 소리의 이상한 잡음 또는 영상 방해가 발생할 수 있습니다. 때로는 이러한 노이즈가 에너지가 너무 강해지면 전자 장치가 손상될 수 있습니다. 노이즈의 원인은 자연적인 것과 인공적인 것으로 나눌 수 있습니다. 자연적인 원인에는 정전기 방전, 번개와 같은 자연적인 현상들이 있으며, 인공적인 원인에는 접촉 노이즈, 고주파수를 사용하는 장치에서 누출되는 노이즈, 디지털 회로에서 발생하는 고조파 방출, 스위칭 전원 공급 장치에서 발생하는 방출이 있습니다. 이처럼 EMI와 RFI는 다양한 출처에서 발생할 수 있으며, 이는 장치 내부나 외부에서 모두 영향을 미칠 수 있습니다.
또한 전자 장치 내부의 회로에서도 노이즈가 발생할 수 있습니다. 내부 회로에서 발생한 노이즈가 동일한 장치 내의 다른 회로에 간섭을 일으킬 수 있기 때문에, 장치의 전반적인 성능에 문제를 일으킬 수 있습니다. 대부분의 EMI/RFI 노이즈는 공통 모드 노이즈 형태로 발생하며, 이를 해결하기 위한 방법으로는 EMI 필터를 사용하여 고주파수를 효과적으로 제거하는 것이 일반적인 해결책으로 권장됩니다. 이와 같은 방식은 원하지 않는 신호를 제거하고, 신뢰할 수 있는 성능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 EMI 필터는 OEM(원제작업체)들이 대부분의 국가에서 규정하고 있는 노이즈 방출 제한 규제를 준수하는 데에도 중요한 역할을 합니다.
EMI 필터
EMI 필터는 전자 장치의 성능을 최적화하고 방해가 되는 EMI/RFI 노이즈를 차단하는 중요한 구성 요소입니다. EMI 필터는 일반적으로 커패시터와 인덕터와 같은 수동 부품으로 구성됩니다. 가장 전통적인 공통 모드 필터링 방식은 커패시터로 구성된 저역 통과 필터를 사용하는 것입니다. 저역 통과 필터는 선택된 컷오프 주파수보다 낮은 신호는 통과시키고, 그보다 높은 주파수를 가진 신호는 감쇠시켜 전자 장치 내부의 불필요한 노이즈를 차단합니다. 이 방식에서 가장 일반적인 구성은 차동 입력의 각 선과 접지 사이에 커패시터를 하나씩 배치하는 방법입니다. 이 필터에서 컷오프 주파수 이상의 EMI/RFI는 접지로 보내지며, 그 결과 원하지 않는 노이즈를 차단하고 신호 대 잡음비(SNR)를 개선할 수 있습니다.
하지만 이 방식에도 단점이 존재합니다. 예를 들어, X7R 유전체를 사용하는 다층 세라믹 커패시터(MLCC)의 경우 시간이 지나거나 전압이나 온도 변화에 따라 커패시터 값이 달라질 수 있습니다. 이로 인해 필터의 컷오프 주파수 근처에서 필터의 응답이 불균형해지며, 그 결과 공통 모드 노이즈가 차동 노이즈로 변환될 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로는 Y 커패시터 사이에 큰 값의 ‘X’ 커패시터를 배치하는 방법이 있습니다. 그러나 이 방법은 차동 신호 필터링이라는 부작용을 초래할 수 있어 주의가 필요합니다. 또 다른 대안은 공통 모드 초크를 사용하는 것입니다.
공통 모드 초크
공통 모드 초크는 1:1 변압기 형태로 작동하며, 한 권선에서 흐르는 전류가 다른 권선에 반대 전류를 유도하게 됩니다. 이상적인 공통 모드 초크는 차동 신호에는 영향을 미치지 않으며, 공통 모드 노이즈에는 매우 높은 임피던스를 제공합니다. 이는 공통 모드 노이즈를 효과적으로 억제할 수 있게 해 주며, EMI 필터링에 중요한 역할을 합니다. 그러나 공통 모드 초크는 주파수 범위가 제한적이며, 제조 공차로 인해 권선 간의 불일치가 발생할 경우 전자기 호환성(EMC) 문제나 내성이 떨어질 수 있습니다. 이러한 점에서 공통 모드 초크는 항상 최적의 선택이 될 수 없으며, 상황에 따라 다른 방식의 필터링이 필요할 수 있습니다.
모놀리식 EMI 필터
공통 모드 초크에 비해 더 나은 대안으로는 모놀리식 EMI 필터를 사용할 수 있습니다. 모놀리식 EMI 필터는 다층 세라믹 구조로 되어 있어 공통 모드 노이즈를 억제하는 데 뛰어난 성능을 보입니다. 이러한 필터는 작은 패키지에서도 우수한 RFI(무선 주파수 간섭) 억제력을 제공합니다. 모놀리식 EMI 필터는 전통적인 관통형 커패시터와 비슷한 외관을 가지고 있지만, 설계와 연결 방식에서 차이를 보입니다. 이 필터는 매우 낮은 인덕턴스와 매칭된 임피던스를 제공하여 고주파에서 특히 효과적입니다. 또한 온도와 전압 변동에도 양쪽 라인이 동일하게 노화되므로 안정성이 높습니다.
그러나 모놀리식 EMI 필터에도 한계가 있습니다. 공통 모드 노이즈의 주파수가 차동 신호와 동일할 경우에는 효과적으로 사용할 수 없다는 점입니다. 이런 경우에는 공통 모드 초크가 더 나은 해결책이 될 수 있습니다. 그러나 공통 모드 초크가 필요한 상황이 아니라면, 모놀리식 EMI 필터는 매우 효과적이고 실용적인 대안이 될 수 있습니다.
전자 장치에서 발생할 수 있는 EMI/RFI 노이즈 문제를 해결하기 위한 여러 방법들이 존재하지만, 각 방법은 특정 조건에 따라 적합한 경우가 다릅니다. 이를 잘 이해하고, 적절한 필터링 기술을 선택하는 것이 전자 장치의 성능을 최적화하는 중요한 요소입니다.
마치며
전자기 간섭(EMI)과 무선 주파수 간섭(RFI)은 전자 장치에서 발생할 수 있는 중요한 문제로, 이러한 노이즈는 시스템의 안정성을 해치고 성능 저하를 일으킬 수 있습니다. 특히 현대의 전자 장치들이 점차 복잡해지고 고도화됨에 따라 EMI와 RFI의 영향을 최소화하는 것이 더욱 중요해졌습니다. 이는 단순히 기술적인 문제를 넘어서, 장치의 신뢰성을 높이고 규제 요건을 충족시키며, 다양한 환경에서 장치가 원활하게 작동할 수 있도록 하는 중요한 요소입니다.
EMI와 RFI를 해결하는 방법은 다양하며, 그 중에서도 EMI 필터와 공통 모드 초크, 모놀리식 EMI 필터와 같은 필터링 기술들이 효과적인 해결책을 제공합니다. 각 방법은 특정 상황에 맞게 적용될 수 있으며, 장치의 요구 사항과 설계 조건에 따라 적절한 방법을 선택하는 것이 핵심입니다. 특히 공통 모드 노이즈와 차동 신호에 대한 처리 방법을 잘 이해하고, 각 필터링 기술의 장단점을 고려하는 것이 중요합니다.
또한, EMI/RFI 문제를 해결하기 위해서는 기술적인 측면뿐만 아니라 장치의 설계와 관련된 규제 및 산업 표준도 반드시 고려해야 합니다. 각 국가 및 산업별로 요구되는 규제와 표준을 준수하는 것이 필수적이며, 이를 통해 제품이 전 세계적으로 통용될 수 있는 신뢰성을 갖추게 됩니다.
마지막으로, EMI/RFI 필터링 기술은 단순히 장치 성능을 향상시키는 것을 넘어, 장치의 내구성을 높이고, 다양한 전자 장치가 서로 간섭 없이 원활히 작동하도록 보장하는 중요한 역할을 합니다. 앞으로도 전자기 간섭 문제를 해결하기 위한 기술은 지속적으로 발전할 것이며, 보다 효율적이고 신뢰성 있는 방법들이 계속해서 연구되고 개발될 것입니다. 전자 장치의 성능을 극대화하고 노이즈 문제를 최소화하기 위한 노력이 계속되어야 할 시점입니다.