바이패스 커패시터와 디커플링 커패시터는 PCB에서 생성되는 노이즈의 양을 줄이기 위해서 오랫동안 사용되어 왔다. 상대적으로 낮은 비용, 가용성, 값들의 넓은 범위 등 때문에 커패시터는 보드 레벨에서 EMI를 줄이는데 활용된 주요 장치이다. 기생 성분이 중요한 역할을 하게 되면서 커패시턴스 값의 선택 보다도 적절한 커패시터의 선택이 더 중요해진다. 커패시터를 만드는 많은 방법이 있고 그에 따라 기생 성분의 크기가 결정된다.

전기 노이즈는 다양한 방법으로 발생될 수 있다. 디지털 환경에서 노이즈는 주로 스위칭 IC, 전원 공급 장치, 그리고 레귤레이터에 의해서 생성된다. RF 회로는 오실레이터와 증폭기 회로에서 만들어진 노이즈에 민감할 수 있다. 파워와 그라운드 판에 혹은 신호 선 자체에서 발생하는 이런 간섭은 시스템 동작에 혼선을 초래할 수 있다. 물론 방사 방출도 포함할 것이다.

여기서는 표면 실장과 리드형 다층 세라믹 커패시터에 대해서 이야기할 것이다. 이 장치의 임피던스와 삽입 손실 간의 상호관계를 계산할 것이다. 피드쓰루에 대해서도 살펴볼 것이다. 측정 기술을 보여주고 측정 데이터로부터 모델을 유도한다. 제작 방법에 따른 기생 성분과 임피던스 곡선을 살펴볼 것이다.

임피던스와 삽입 손실

다행이 커패시터는 비교적 단순한 장치다. 그것은 2 단자 장치이기 때문에 전송선 라인을 가로질러 커패시터를 션트하는 방법은 하나 뿐이다. 디바이스를 커패시터로 생각하는 대신에 임피던스 블록으로 생각하는 것이 쉽다.

전송선 라인을 가로질러 션트 될 때 블록을 어드미턴스로 생각할 수 있다. 이 연결에 대한 ABCD 파라미터는 아래와 같다.

ABCD 파라미터와 S 파라미터 사이의 관계를 이용하면, S21(삽입 손실)의 크기는 다음과 같다.

위 식을 살펴보면 약간의 재미있는 점이 있다. 먼저, 좋은 세라믹 커패시터의 위상 각은 거의 모든 주파수 스펙트럼에서 공진점 근처를 제외하면 매우 ±90° 근처이다.

코사인이 거의 0에 가깝기 때문에 위 식은 다음처럼 단순화 된다.

위상이 무시될 수 있기 때문에 대부분의 주파수 스펙트럼에서 아직 좋은 결과를 보여준다.  Z0 >> |Z|라고 한다면 식은 더 간단해 진다.

예로서 1000 pF 바이패스 커패시터에 대해 측정된 임피던스와 계산된 삽입 손실이 아래 표에 있다.

모든 삽입 손실은 대략 50 ohms를 기준으로 한다. 이 표가 보여주듯이, 위 식은 커패시터가 50 ohms로 커지기 시작하면 빠르게 효력을 잃기 시작한다. 이 식과 관련된 단 하나의 문제는 커패시터 값의 넓은 범위에 대해서 임피던스를 알 필요가 있다는 것이다. 다음 섹션은 이 임피던스를 계산하는데 필요한 모델과 측정 테크닉을 살펴본다.

MLCC(Multilayer Ceramic Capacitors) 직렬 모델

MLCC 칩으로 사용되는 가장 간단한 (그리고 아마도 가장 효과적인) 모델은 다음 직렬 모델이다.

이 모델은 대부분의 표면 실장 MLCC에 대한 바른 임피던스 커브를 제공한다. 커패시턴스는 온도와 dc 바이어스에 따라서 변한다는 것을 염두 해 두자. 등가 직렬 저항(ESR)은 온도, dc 바이어스, 주파수에 따라 변한다. 반면 등가 직렬 인덕턴스(ESL)은 상당히 일정하다. 아마도 임피던스에서 가장 중요한 부분은 공진점 일 것이다. 이 주파수에서 감쇄가 최대가 될 것이다. 공진 주파수에 대해 잘 알려진 공식은 다음이다.

위 두 번째 식에서 기술된 측정 테크닉으로 표면 실장 패키지의 인덕턴스를 계산할 수 있고 계산된 값의 범위는 넓다. 예들 들어, 시스템이 800 MHz 노이즈를 생성한다고 한다면, 이 간섭은 PCB의 어떤 부분으로 퍼져갈 것이다. 표준 커패시턴스 값 39 pF를 가지 패키지를 골라서 그것을 노이즈 발생자에 가능한 한 가까이 배치하는 것은 EMI를 줄이는데 가장 좋은 선택일 것이다.

직사각 칩의 인덕턴스를 줄이는 효과적인 방법중 하나는 디자인을 수정해서 칩의 단자를 긴 세로로 하는 것이다. 선택된 커패시터에 대한 임피던스 곡선이 아래 보여진다.

가로 세로 비를 바꿈으로써 기생 인덕턴스가 대략 50%(1200 pH에서 600 pH로) 줄어드는 것을 알 수 있다. 이것은 최대 감쇄 점을 효과적으로 시프트 시킨다. 따라서 EMI 필터링으로 이런 칩을 사용하려고 할 때 이것을 명심해야 한다.

낮은 인덕턴스 커패시터의 최대 장점은 디지털에서 디커플링이다. 아래 간단한 공식을 보면 인덕턴스가 줄어야 노이즈 크기가 줄어든다는 것을 알 수 있다.

인덕턴스를 줄이기 위해서 낮은 인덕턴스 칩을 사용하면 IC가 스위칭 할 때 만들어지는 전압 노이즈 양이 줄어들 수 있다.

리드(Leaded) 커패시터

리드 커패시터는 표면 실장 커패시터에 리드를 붙인 것과 별반 다르지 않다. 등가 모델은 MLCC 등가 모델에 추가 인덕턴스를 붙인 것과 같다.

임피던스에서 리드 인덕턴스의 효과는 아래 그림과 같다.

좋은 엄지 규칙은 보드 표면 위에서 리드 길이에 의한 추가 인덕턴스는 1nH/mm 이다. 낮은 인덕턴스 커패시터가 주파수를 더 높이 시프트 시키듯이 리드 디바이스는 주파수를 더 낮게 시프트 시킨다. 최적의 EMI 필터링을 위해서 이것을 명심해야 한다.

피드쓰루(Feedthrough) 커패시터

EMI 보호를 위해 다음으로 사용할 수 있는 것으로 피드쓰루 커패시터 칩 있다. 이것은 2단자 커패시터와 다르게 3 단자 표면실장 장치다. 피드쓰루에 대한 등가 회로는 다음과 같다.

이 구성은 EMI 노이즈를 그라운드로 필터링 하는 커패시턴스를 가진 장치를 경유해서 신호를 제공하도록 한다.

이런 타입의 지오메트리를 가진 기생 성분에 2가지 재미있는 일이 일어난다. 첫 번째, 커패시터의 기생 인덕턴스가 등가 커패시턴스를 가진 유사한 크기의 칩보다 훨씬 작아진다. 피드쓰루에 대한 기생 인덕턴스는 250 pH까지 측정될 수 있다. 인덕턴스를 줄이는 것과 같은 현상이 ESR도 낮춘다(경로 길이, 경로 길이, 경로 길이!). 마지막으로, 쓰루 부분 있는 인덕턴스가 감쇄의 대역폭을 증가시킬 것이다. 100 pF 피드쓰루와 등가 표준 칩 커패시터 사이의 삽입 손실 비교가 아래 보여진다.

여기서 논하는 표면  실장 장치는 디스크형 커패시터를 사용하는 전형적인 벌크헤드 마운트 피드쓰루 필터와 관련된다. 이 필터에 대한 등가 회로는 프드쓰루 칩과 유사하지만 디스크형 리드의 형상이 기생 인덕턴스를 더욱 낮춘다. 이 필터는, 신호 혹은 파워 라인에서 새시 혹은 인클로저로 사용되어, 들어오거나 나가는 노이즈 둘 다 감쇄시킨다. 시스템에서 고 주파(>500 MHz)가 만들어질 때, 디스크형 피드쓰루는 다른 시스템(예들 들어 아날로그와 디지털)을 분리하는 데 사용되어 원치 않는 간섭을 제거할 수 있다.

그러나 아무리 좋은 필터링 설계(scheme)라 하더라도 빈약한 PCB를 극복하지는 못할 것이다. 길고 높은 인덕티브 트래이스로 커패시터를 연결하는 것은 MLCC의 공진 점에 어떤 영향을 줄 것이다.

전체 주파수 스펙트럼에서 모든 노이즈가 그라운드 판으로 션트되고 그 판이 안테나처럼 행동한다면, 높은 방사 방출이 있을 것이다. 시스템에서 만들어지는 EMI를 낮추기 위해서 가능하다면 큰 파워와 그라운드 판을 안에 내장한 다층 보드를 사용한다.

원문: Capacitor Selection and EMI Filtering. By Jeffrey Cain and Steve Makl. AVX Corp.

보드 열 해석은 Icepak 같은 도구를 사용해서 진행하는 데 그 과정이 신호 해석 과정과 어떻게 다른지 한 번 살펴 보자.

1. 경계(boundary) 설정

• 캐버닛 사이즈

• Open(공기가 들어오거나 나가는 면), wall

2. 구조물 설계(또는 CAD 파일 import)

• 구조물 - object, source(열원), plate, pcb, grille, enclosure, wall, heat sink, package, …

• 구조물 지오메트리/ 구조물 물성/ 기타 구조물 조건 등 설정

3. Assembly 생성

• 슬랙 적용: mesh bleeding 예방(accuracy 유지하고 speed up)

4. Basic parameter, basic setting, advanced setting 등 설정

• 해석에 필요한 각종 기본 값 및 필요 조건 등 설정

• 레이놀즈 수 파악하여 층류/난류 여부 적용 결정

• 방사 여부 결정

• 이터레이션 수 결정

5. Meshing

• 매쉬 생성 및 메쉬 확인

6. 관찰 포인트 추가

• 구조물이나 관찰을 원하는 부위의 온도나 속도 등 등록

7. Solving

• 단일 솔브/파라메트릭 솔브(경우의 수를 통한 최적 값 찾기)/최적화

8. Post-Solving

• Face(온도 분포), cut-plane(velocity) 등으로 결과 분석

• report
  

이번에는 수 V에서 일어나는 현상이 아닌 수십 kV 이상에서 일어나는 현상 하나늘 살펴 보자.

코로나(corona)란?
고전압 전송선을 포함한 모든 에너지 왕성해진 전기 장치에서 나타나는 현상 중 하나로, 도체 주변의 국부적 전기장은 도체 가까이에 있는 공기를 이온화 할만큼 충분히 밀집될 수 있다. 이것은 코로나(혹은 코로나 방전)라 불리는 전기 에너지의 부분적 방전을 초래한다. 전기 전송선(이하 그냥 전송선)은 코로나의 결과로 작은양의 소리 에너지를 생성할 수 있다. 코로나는 모든 전송선과 관련된 현상이다. 어떤 조건 하에서, 에너지 왕성해진 부품이나 도체 근처의 국부적 전기장이 감싸고 있는 공기 분자를 이온화 시키거나는 작은 전기 방전 혹은 코로나를 만들 수 있다. 또는 작은 국부적 전기 전하의 변화를 경험할 수 있다.
유틸리티 회사는 코로나의 양을 줄이려고 노력하는데, 왜냐하면 코로는 전력 손실이고 게다가 그 결과로 노이즈의 레벨을 줄일 수 있기 때문이다. 극단적인 경우 코로나는 시스템 부품을 오랜 시간 동안 손상시킬 수 있다. 코로나는 모든 종류의 전송선에서 일어나지만, 고전압(354kV 이상)에서 더 눈에 띄게 된다. 맑은 날씨에서 코로나로 인한 소린는 작고 알아차리기 어렵다. 축축하고 습할 때, 도체에 물 방울이 모이고 코로나 활동은 증가한다. 이런 조건하에서 탁탁 거리거나 허밍 거리는 소리를 라인 근처에서 바로 들을 수 있다. 코로나는 파워 손실의 결과이다. 코로나 같은 파워 손실은 비효율적인 운영을 초래하고 서비스 비용 상승을 초래한다. 전송선 라인 디자인에서 주요 걱정은 손실을 줄이는 것이다.

코로나에 영향을 주는 요소:
전송선에 의해 만들어지는 코로나의 양은 라인의 전압, 도체의 직경, 각 도체의 위치, 해수면 위 라인의 고도, 도체와 하드웨어의 조건, 그리고 지역 날씨 조건 등의 함수이다. 전력의 흐름은 만들어지는 코로나의 양에 영향을 주지 않는다. 전기장 기울기는 도체의 표면에서 가장 크다. 직경이 큰 도체는 낮은 전기장 기울기를 갖는다. 따라서 다른 조건이 같다면 작은 도체보다 코로나가 적다. 불규칙한 표면은 전기장을 그 위치에 집중시켜서 전기장 기울기를 증가시킨다. 결과적으로 코로나가 집중된다. 도체 표면에 먼지나 곤충 같은 외부 물체는 표면의 불규칙을 유발해서 코로나의 소스가 된다. 또한 코로나는 높은 고도 즉 공기의 밀도가 낮은 곳에서 증가한다. 소리 노이즈는 고도에 따라서 변한다. 빗방울, 눈, 안개, 서리, 도체 표면에서의 응축 등은 표면 불규칙의 소스가 되어 코로나를 증가시킨다. 전송선에서 만들어지는 코로나는 전송선 디자인과 하드웨어와 도체의 선택의해 줄어들 수 있다. 예들 들어, 뾰족한 에지보다는 둥근 도체 행거를 사용하거나 뾰족한 에지를 갖는 볼트를 사용하지 않으므로 코로나를 줄일 수 있다. 도체 자체는 직경이 큰 것으로 만든 것을 사용하고 표면을 상처나지 않게 부드럽게 다룬다.

노이즈 대책 절차:
1. 노이즈 발생
2. 방사 or 전도
3. Spectrum 관측
     주파수     - 광대역 or 협대역 or impulse
     시간 변동 - 랜덤 or 노멀
3. 원인 추정 - 부품 or 경로 or 기타
4. 대책 수립 - 대상 부품 선정
5. 대책 적용 및 결과 확인 - 불만족 시 4번 부터 다시

노이즈 대책:
1. 배선 레이아웃 - 기능별로 기판 분리, 부품 배치
  a. 전원계와 신호계 분리
       층 구성(전원 층/신호 층)
  b. 노이즈에 강한 패턴 설계
       부품(예들 들어 커패시터)의 위치 및 배선 방법
  c. 임피던스 매칭 or 최소화

2. 그라운딩 - 그라운딩 설계는 중요 항목이다.
  a. GND의 종류 - 시그널 그라운드(SG), 프레임 그라운드(FG), 어스(E)
  b. 회로의 각각에 SG, FG, 전원을 마련하고 회로별로 완벽히 독립시킨다.
       어려운 경우, 각각의 GND는 분리하고 어스 점 가까이 에서 접속하거나 FG에서 접속한다.
       각각의 GND는 비드를 거쳐 FG에 접속하면 효과적이다.
      
  c. 1점 접지 - 각 회로의 GND 점의 전위를 일정하게 하기 위함
  d. 다점 접지 - 안정된 GND면(FG 등)을 만들고 각 회로의 GND를 최단 거리에서 이 안정된 GND면에 접속하는 접지
  e. GND는 최대한 굵고 짧게하는 것이 임피던스를 낮춰 EMC에 유리하다.
  f. PCB의 GND 나사가 느슨해지면 노이즈가 커지고 방사도 커질 수 있다.

3. 쉴딩 - 모든 부품을 금속이나 자성재로 쉴드하면 좋지만 비용을 고려하면 최선은 아니다.

4. 필터링 - 부품을 이용한 대책(부품을 잘 못 사용하면 오히려 노이즈가 증가할 수 있다)
  a. 필터의 역할 - 반사(노이즈 발생원으로 되돌림), 흡수(열로 전환), 바이패스(GND와 어스로 보냄)
  b. 커먼모드 노이즈 대책으로 하니스 등에 코어를 사용할 경우, 온도 상승이 없어 자기포화 문제를 신경 쓰지 않아도 되지만, 노멀(차동) 노이즈 대책에 사용되는 쵸크는 직류 중접에 따른 온도 상승과 자기포화(성능 저하)를 고려할 필요가 있다.
  c. 노멀(차동) 노이즈 - 전원 스위칭과 펄스 신호의 고주파 성분(전자 유도)로 발생하며 신호 라인을 지나 그라운드 라인으로  돌아오는 정상 노이즈
  d. 비드 - 일종의 LC회로로 LC 지연이 발생하고 노이즈 제거 영역과 신호 통과 영역을 잘 고려하여 선택하는 것이 중요하다.
  e. 커먼 모드 필터 - 결합계수가 높은 지, 임피던스가 높은 지, 임피던스 주파수 특성이 원하는 바에 맞는 지 등을 고려하여 선택하는 것이 중요하다.
  f. 필터 위치 - 노이즈 발생 회로 출력에 배치 하여 노이즈 전도 방지. 노이즈가 들어오는 경우에는 입력 측에 배치
       AC 전원 라인, 장치/케이블 부, 기판 상 신호 라인, 기판 상 DC 라인

5. 시스템 노이즈 대책
  a. SMPS - 보빈 최적 구조 설계와 권선 기술 및 와이어 실드 기술로 누설 자속이 적은 트랜스포머 사용
  b. 전원 라인과 인터페이스 케이블의 위치에 따라 노이즈가 변할 때 - 케이블 가까이에 큰 자계 발생원과 자계 결합 가능성 > 자계 발생원 쉴드, 케이블 고정, 클램프 필터 케이블 장착
  c. 통신 시스템 - 아날로그/디지털 기능 블록 분리, 스위칭 전원 부 금속 재료로 쉴드, PCB간 임피던스 매칭, 인터페이스 부에 노이즈 대책 부품 사용, 케이블이 길 경우 쉴드 케이블 또는 클램프 필터 사용, AC 전원 노이즈 필터 사용
  d. 다단 랙을 사용하는 경우 - 신호, 전원, 계전등의 케이블류를 동일 하게 결선하면 안됨. 덕트를 마련하여 분배
  e. 모터(L부하)에서 발생하는 노이즈 - 주파수 대역, 레벨, 그라운드, 노이즈 모드 등의 영향에 좌우 됨.
       i) 콘덴서를 이용한 대책
      
         C3로 노멀 모드 대책을 세우고 C1, C2로 커먼 모드 대책을 세운다. C1, C2는 그라운드(모터 커버와 장착부)에 접속한다. 대지로의 누설 전류 규제로 C1, C2를 크게 할 수 없다.
       ii) 모터의 그라운드가 확실히 취해지지 않은 경우
      
         전자는 커먼 모드 노이즈 대책이고 후자는 노멀 모드 노이즈 대책이다.
       iii) 스파이크 대책
      
         스너버 회로를 사용하거나 스위치나 부하에 병렬로 제너 등의 서지 업소버를 달아서 서지 전압을 흡수한다.


원문: 노이즈 대첵 기초 - TDK 응용제품 연구소 응용기술 그룹

DRAM 이라든지 AP 칩 같은 고속 디지털 칩을 사용할 경우 동작 주파수가 최소 수백MHz 이상이기 때문에 임피던스 제어된 PCB를 사용해야만 한다. 그러나 제어 용도로 많이 사용되는 MCU칩(마이컴 이라 많이 부름)은 동작 주파수가 아직도 수십MHz 이하인 경우가 많으며 원가 절감을 위해 2층 혹은 4층 보드로 만드는 경우가 많다. 이런 경우 PCB의 임피던스는 제작자에 의해서 제어되지 않는다. 임피던스가 제어되지 않아도 자체 동작에 문제가 없는 경우가 대부분이기 때문에 회로 설계자들이나 시스템 설계자들도 별로 신경을 쓰지 않는다. 그러나 EMI 문제를 예방하고 최선을 이루기 위해서 디자이너는 최대한 임피던스가 작아지도록 디자인을 해야 한다.

여기서는 2층 보드에 중심을 둔다.

사전 이해

노이즈 소스:

노이즈의 가장 큰 원인은 MCU 자체이다. MCU의 모든 핀은 잠재적으로 문제를 갖고 있다. 가장 큰 문제는 IO 핀에서 나오는 노이즈이다. 이 핀과 연결된 트래이스(trace)로 커버되는 영역은 큰 안테나를 형성한다. 두 번째 중요한 노이즈 기여 자는 파워 공급 시스템이다. 이것은 스위칭에 요구되는 전류를 공급한다. 세 번째 노이즈 소스는 오실레이터 회로이다.

부품 특성:

SMD 부품은 인덕턴스를 줄이고 더 가까운 부품 배치가 가능하다. 이것은 2층 보드 디자인에서 매우 중요하다. 리드 커패시터는 대략 80MHz에서 자가 공진을 한다. 따라서 특수한 경우가 아니면 SMD 부품을 사용해야 한다.

사용하지 않는 핀:

임피던스가 높을수록 MCU에서 노이즈가 많이 나오기 때문에 가능하면 사용하지 않는 입력은 가장 낮은 임피던스 레일 인 그라운드에 직접 연결한다.

전류 루프:

MCU에서 나가는 모든 에지 전이는 전류 펄스이다. 펄스는 루프를 진행하여 원래 발사된 곳으로 돌아온다. 루프는 어디에나 있다. 어떤 노이즈 전압은 그 전류가 진행한 경로와 관련이 있다. 항상 제일 낮은 임피던스로 돌아온다. 이것은 매우 강력한 개념으로 리턴 경로의 임피던스와 모양을 제어해서 노이즈 전파를 완화할 수 있다. 아래는 루프 예이다.

 안테나:

루프와 다이폴은 안테나이다. 그들의 방사 효율은 관심 있는 주파수의 1/4 파장까지 증가한다. 루프의 경우, 더 큰 레이아웃 면적에서 더 강한 방사가 루프의 하나 혹은 양 다리가 1/4 파장이 될 때까지 나온다. 다이폴에서는 안테나가 더 길수록 안테나의 길이가 파장의 1/4이 될 대까지 더 방사된다. 1MHz에서 1/4파장 = 75m 이지만, 300MHZ에서 1/4파장 = 25cm이다.

보드 레이아웃

그라운드와 파워:

PCB의 파워 라우팅을 통해서 흐르는 유일한 non-dc 전류는 바이패서 커패시터를 채우는데 필요한 전류이다. 입력 클럭 에지에서 스위치 하는 MCU 내부의 고주파 전류는 파워 서플라이가 아니라 바이패스 커패시터에서 공급되어야만 한다.

파워 라우팅에서 인덕턴스는 전압 강하를 만들어서 퍼져 나간다. 따라서 가능한 한 인덕턴스를 줄여야 한다.

• 파워와 그라운드에서 IC와 전압 소스 사이의 어떤 트래이스에서 길이 대 넓이 비가 3:1을 초과하지 않아야 한다.
• 파워와 그라운드는 서로 바로 겹쳐서 진행되어야 한다(루프 최소화로 임피던스 최소화).
• 불필요한 공통 임피던스 연결이 생기지 않도록 조심하면서 파워와 그라운드를 그리드(grid)로 만든다.
• 신호 트래이스 아래 직접적으로 리턴을 라우팅 한다(그리딩이 공간 효과 적이다).
• MCU 아래에 솔리드 한 그라운드를 만들고 그곳에서 바이패싱 하고 오실레이터 루프를 묶는다.

OSC와 페라이트 비드의 루프 영역이 최소화 되어 있다.

2층 보드에서 각 트레이스에 그라운드 리턴을 제공하는 것은 매우 어렵다. 이런 이유로 4층 보드에서 그라운드 판을 사용한다. 2층 보드에서 그라운드 판을 갖는 것과 최대한 유사한 것이 그라운드 그리딩(gridding)이다. 여기서 최고의 관심은 신호 트레이스에서 방사이다. 이 문제를 다루는 최고의 효과적인 방법은 신호 트래이스 아래 리턴을 제공해 루프를 줄이는 것이다. 그래서 그리딩이 중요하다.

디지털 그라운드와 파워는 RF 에너지를 운반한다. 따라서 아날로그나 하이 파워 같은 다른 파워와 그라운드나 관련 없는 트래이스에서 고립되는 것이 최선이다. 만약 MCU나 다른 회로에서 노이즈가 고립된 그라운드로 유입되면 그것은 작은 RF 커패시터(대략 470-1000pF)의 조심스런 배치로 리턴 될 수 있다.

4층 보드 가이드라인:

• 판에서 홀과 컷-아웃(혹은 슬릿)이 어떻게 만들어지는지 최대한 주의를 기울인다. 그것들이 판을 깨서 루프 면적을 증가시킬 수 있다. 아래 그림 A(poor)와 B(better)를 비교해 본다. A는 그라운드 판을 2개의 부분으로 자른다. B는 가장자리로 돌아간다. 가장 좋은 것은 그라운드 판에 트래이스를 사용하지 않는 것이다.
• 판에 리드 열이 있을 때 하나의 긴 슬롯을 갖는 것보다 각각의 홀을 갖는 것이 훨씬 좋다. 아래 그림에서 C(poor)는 그라운드 슬롯 안테나를 형성한다. C보다 D(better)가 좋다.
• 모든 신호는 디지털 그라운드 위에 배치되도록 한다.

파워 분배(Distribution)

다 점(multi-points) 그라운드 시스템은 공통 임피던스 잠재성이 있으므로 단일 점(single-point) 그라운드 시스템이 좋지만 실제로 그것을 구현하는 것은 불가능하다. 따라서 RF 신호 생성 장치에 대한 단일 점과 다른 그 밖의 것에 대한 다 점 방식을 조합 할 수 있다. 가능한 가장 좋은 방법은 레귤레이터 그라운드, MCU 그라운드, 배터리 그라운드와 새시 혹은 쉴드에 대해 단일 점을 갖는 것이다.

다 점 방식이 제일 나쁘고 단일 점 방식이 제일 좋다. 단일 점 방식에 대한 대안으로 스타 방식을 사용할 수 있다. 스타 방식은 보드의 중앙 근처에서 분배되는 방식으로 분배되는 길이를 갖게 한다.

그리딩(gridding)

2층 보드에서 그리딩은 가장 결정적인 디자인 테크닉이다. 그것은 그라운드 판과 유사한 효과를 만들어 4층 기판처럼 노이즈를 줄인다. 아래 그림은 그리딩의 예 이다. PCB의 top면에서 대부분의 트래이스는 수직으로 달리고, bottom면에서 대부분의 트래이스는 수평으로 달린다. 리턴이 직접 신호 아래 달리도록 한다.

• 2층 보드에서 가능한 한 많이 그리드를 만든다.
• 물리적으로 고정할 수 있는 쓰루 홀을 가능한 한 많이 사용한다.
• 라인이 반드시 수직일 필요도 없고 같은 굵기일 필요도 없다.

아래 그림에서, A와 B는 2층 보드의 top면과 bottom면을 각각 나타낸다. +V 트래이스와 모든 인터커넥트는 삭제되어 오직 그라운드 필(fill)과 그라운드 트래이스(trace), 그리고 비아(via)만 남겨 놓은 것이다. 그림 C는 그라운드 라우팅의 스틱 다이어그램이다. 각 스틱은 그라운드 도체의 경로를 나타낸다. 경로는 도체 폭이 최소로 줄어들었을 때이다. 점선은 top면을 나타내고 실선은 bottom면을 나타낸다. 다이어그램을 보면 많은 트래이스가 한 쪽 끝만 연결을 갖고 있다. 그림 D는 한쪽 끝만 연결된 트래이스를 제거한 것이다. 결과는 전체 보드에서 어떻게 그라운드가 라우트 되었는지 보여주는데, 성성한 것을 볼 수 있다. W, X, Y, Z 지점을 제외하고 어떤 두 지점 간의 라우팅은 하나만의 경로를 갖는다.

그림 E, F, G, H에서, 그리드 그라운드를 달성하기 위해 디자인이 아주 살짝 변경되었다. 그림 E와 F에서 굵은 검정으로 보이는 약간의 트래이스가 추가 되었고 약간의 지오메트리가 화살표 방향으로 이동되어 원하는 그리드를 만들고 있다. 이것의 스틱 다이어그램이 G에 보인다. 하나의 끝만 있는 트래이스가 더 이상 없다. 양 쪽을 모두 연결해서 더 완벽한 도체를 형성한다. 그림 H는 D와 대조되는 그리드의 밀도를 보여준다. 목적은 그리드 그라운드를 만들어서 실제 그라운드 판과 유사한 효과를 갖는 것이다.

바이패싱(bypassing)과 페라이트

MCU에서 +V와 그라운드 사이의 바이패싱은 매우 중요하다. 너무 높은 인덕턴스 때문에 바이패싱 루프에서 가용한 전류가 부족하면 파워 서플라이에서 가장 낮은 임피던스 경로를 통해 전류가 공급되어 한다. 파워 라우팅의 분산된 커패시턴스가 고주파 노이즈원이 된다. 따라서 페라이트 비드로 RF 소스 전류를 막는다.

• 페라이트 비드와 바이패스 커패시터(10~100nF)를 사용한다
• 페라이트 비드는 +V에만 사용하고 그라운드에는 사용하지 않는다.
• 길이 대 폭 3:1 규칙을 바이패싱 루프의 트래이스에 적용한다.
• 바이패싱 루프는 가능한 한 작게 한다.

출력 핀:

• 모든 출력 핀에 50~100Ω 직렬 저항을 사용한다. 입력 핀에는 35~50Ω 직렬 저항을 사용한다. 저항은 가능한 한 MCU 가까이 배치한다.
• 신호 전이 시간이 100ns보다 느려도 되는 경우, 어떤 핀이든 1nF 커패시터를 사용해서 그라운드로 바이패스 시킨다.

필터링:

다음은 필터링 우선 순위이다.

• 인클로저를 떠나는 신호
• 인클로저 안에서 다른 PCB로 떠나는 PCB 신호
• 하이 임피던스 부하를 가진 신호

첫 프로토타입이 만들어진 후에 각 필터링 부품을 제거해서 원하는 EMI를 만족해서 필요 없는 것을 식별한다.

보드 플로어 플래닝:

• MCU나 고속 로직을 파워 서플라이에 가까이 배치하고 느린 부품은 멀리 배치한다.
• 그리드 또는 그라운드 판을 만든다(단일 점 그라운드가 되도록).
• 오실레이터 루프는 아날로그 회로나 커넥터에서 멀리 한다.
• 최종 조립 후에 오실레이터 위에 케이블 어셈블리가 놓이지 않게 한다.

신호 트래이스

• RF 노이즈 운송 트래이스는 다른 신호에서 멀리 한다.
• 노이즈에 희생될 신호는 아래에 리턴 신호를 만든다.
• 노이즈한 신호(오실레이터, 릴레이,…)를 보드 외각을 따라 달리게 하지 않는다.
• 노이즈한 신호들을 가능하면 묶어서 그라운드 트래이스로 감싼다.

터미네이션:

트래이스의 길이가 파장의 1/10보다 커질 때 중요해진다. 소비자용 2층 보드에서 쉴드 되지 않은 어플리케이션에서는 1/50 파장도 결정적일 수 있다. 즉 10cm보다 긴 트래이스는 FM 밴드 노이즈 문제가 있을 수 있다. 이 경우 터미네이션이 권장 된다.

여러 터미네이션이 있지만 비용(전력,수량,지연)을 고려하여 직렬 터미네이션을 사용한다.

• 30cm 이상의 신호 트래이스
• 인클로져를 떠나는 신호
• 링잉이 나타날 때

케이블과 커넥터:

커먼 모드 노이즈르 줄이기 위해서 전체 케이블 주변에 페라이트를 배치한다. 디퍼런셜 노이즈를 줄이기 위해서 신호와 리턴 쌍을 꼰다.

케이블 길이가 2m를 넘으면 크로스톡이 문제이고 15cm정도로 짧아도 문제가 될 수 있다.

컴퓨터 산업 분야에서 매 9개 신호당 1개의 그라운드를 케이블이나 하니스에 사용하는 것이 일반적이다.

• 가장 좋은 것은 트위스트 페어처럼 각 신호 케이블 당 하나의 그라운드 리턴을 제공하는 것이다.
• 9:1을 절대 넘지는 마라.
• 케이블이 30cm를 넘으면 신호 4개당 1개의 그라운드를 사용해야만 한다.
• 두 보드 사이에 가능하다면 솔리드 메탈 브라켓이 있게 해서 견고한 RF 그라운드 리턴을 만든다.

큰 그라운드 영역을 가진 PCB는 인클로저 쉴드에 묶는다.

케이블의 노이즈나 ESD 주입이 PCB의 케이블에 있는 바이패스 커패시터(1nF 이하)를 통해서 새시로 흐르도록 한다.

민감성(Susceptibility)

Susceptibility(민감성, 유럽에서는 immunity라 부름)는 신호 트래이스로 전자기장이 커플 되어 주입되는 것이다. Susceptibility의 물리는 emission(방사)과 같다. 단지 반대로 적용되는 것이다. 큰 루프 면적은 더 많은 신호를 픽업한다. 방사를 줄이기 위해서 사용하는 규칙을 똑같이 적용한다. 가장 민감한 문제는 오실레이터 핀, 크리스탈, 크리스탈 바이패스, 바애피스 커패시터 그라운드 연결과 MCU 그라운드 사이의 경로 등과 관련 있다.

그라운드 바운스도 조심한다.

쉴딩

공기를 진행 중인 전기장이 금속 표면을 칠 때, 금속은 관통하는 필드 크기를 감소시킨다.  금속은 필드가 금속 표면 가까이서 흐르는 전류로 만든다. 매우 작은(기하 급수적으로 감소)양의 필드만 통과한다. 인클로저를 사용하면 쉴드 효과를 사용하지만, 쉴딩 효과에 의존하기 보다는 박스 안에서 노이즈를 줄이는 것이 항상 더 좋다.

쉴드는 ESD 히트, 분위기 필드, 내부 필드, 노이즈 등을 새시로 빼내는 일을 한다. 따라서, 쉴드는 RF 전류 소스와 그라운드 레퍼런스 점(단일 점) 사이에서 최소의 단절과 임피던스를 가진 RF 도전 판으로 생각될 수 있다.

PCB는 IO 바이패싱 커패시터에 대해 그라운드로 작용하는 인크로저 쉴드에 묶인 큰 분리된 그라운드 영역을 갖고 있어야 한다(아래 그림). 이 커패시터(1nF 이하)는 시스템 노이즈의 최종 필터링을 제공하지만 반대로 박스 밖 케이블에서 노이즈를 픽업할 수도 있다. 새시 연결에서 3:1 길이 대 폭 규칙이 역시 요구된다.

쉴딩 물질에서 가늘고 긴 틈은 슬롯 안테나를 형성한다. 이 슬롯은 매우 효과적인 방사자(radiator)이다. 슬롯 크기는 10cm를 넘지 않게 한다. 환기가 필요하면 단지 작은 원형 홀을 사용한다.

요약

작은 EMI를 만드는 시스템 디자인은 미스터리 한 것이 아니고 잘 알려진 엔지니어링 테크닉의 응용이 필요한 것이다. 디자인의 시작은 전자기 방사가 작은 부품을 고르는 것에서 시작한다(허용 동작 범위 내에서 느린 제품). 주요 업무는 전자기 에너지를 방사할 수 있는 안테나가 없는 PCB를 디자인하는 것이다. 큰 신호 루프와 해당 그라운드 리턴 라인은 피해야 할 고주파 신호를 운송할 수 있다. 따라서 조심스런 IC의 배치는 짧은 인터커넥션 라인을 만드는데 매우 중요하다. 다음으로 촘촘한 그라운드 그리드를 배치한다. 이것은 리턴 라인을 신호 라인 근처에 있게 해서 유효 안테나를 작게 유지하게 한다. 마지막으로 공급 라인 같은 결정적인 라인들에 필터링을 한다. 이런 규칙들을 적용함으로써 시스템 쉴딩이 필요하지 않을 수 있다.

원문: PCB Design Guidelines For Reduced EMI, Nov. 1999, Texas Instruments

그라운딩(Grounding) 원칙

그라운딩 시스템 원칙을 논하고 그라운딩이 어떻게 안전과 퓨즈 혹은 회로 차단기 같은 장치 보호 회로의 효과적인 동작과 관련 있는지 살펴본다.

대부분의 엔지니어 또는 전문가에게 그라운딩은 간단한 주제이고 요구되는 지식보다 주의를 덜 받는다. 어떤 사람들에게는 그라운드가 있고 또한 깨끗한 그라운드(Clean Ground)도 있다. 30년 전에 컴퓨터가 상대적으로 새로운 것이었을 때, 전자회로와 컴퓨터의 그라운드에 대한 많은 접근이 있었다. 이런 접근 중의 일부는 “깨끗한 그라운드”라 불렸는데 그것은 종종 파워 그라운드로부터 격리되었다.

이런 아이디어의 상당 부분은 효과가 없다는 것이 증명 되었고 때때로는 장비와 사람에게 위험하다. 주파수가 높아짐에 따라서(컴퓨터가 빨라짐에 따라서) 그라운딩, 쉴딩, EMI, 번개 보호와 정전기에 대한 연구가 가속되었다. 이런 연구는 그라운딩 뒤에 있는 기초 과학의 결과를 낳았다. 이 주제는 생각하는 것만큼 간단하지 않다. 기초 원리에 대한 이해를 분명히 해야 한다.

먼저, 회로의 그라운드 혹은 그라운딩은 잘못 명명된 이름이다. 대부분의 경우 이 용어는 회로를 땅(earth)으로 연결(connect)하는 것을 의미한다. 실제로 그것은 회로를 공통 기준 점에 연결하는 것이다. 대부분의 시스템에서 그것은 땅이다.

그라운드의 주요 목적은 다양한 전기 에너지 소스 간에 공통 기준점을 제공하는 것이다. 다양한 전기 에너지 소스의 예로는 다음이 있다.

●  다양한 파워 시스템         - 공용 유틸리티, 사이트 생성, 배터리 시스템

●  다양한 전압 시스템         - 138,000v, 13,800v, 480v, 120v, …

●  다양한 에너지 소스         - 전기 에너지, 번개, 정전기, RF 에너지

전기 시스템의 그라운딩을 논할 때, 특히 파워 시스템에서, 어떻게 그라운딩 시스템이 과전류 보호와 관련되는지를 고려할 필요가 있다. 왜냐하면 그것은 동반되어 진행되기 때문이다.

그라운딩 시스템이 어떻게 작동하는지에 영향을 주는 잘못된 개념이 몇 개 있다. 다음 사실은 일반적으로 알려져 있지 않거나 잘못 이해되고 있는 것이다.

●  땅이 항상 좋은 그라운드인 것은 아니다.

●  60 Hz에서 허용할 만한 것이 고주파에서 항상 작동하는 것은 아니다.

●  큰 도체를 가진 시스템의 상호연결(interconnection)은 부적절하게 설치될 때 효과적이지 않다. - 빌딩 주변의 그라운드 루프와 빌딩 간의 상호연결은 충분하지 않다. - 그라운드 도체는 위상 도체와 함께 도관 안에서 진행되어야만 한다(그라운드 도체는 도관 밖에서 상호연결처럼 행동한다).

●  회로 차단기와 퓨즈의 사이즈가 적절할 지라도 항상 보호 되는 것은 아니다.

●  쉴드 그라운딩은 중요한 문제를 유발할 수 있다. 대부분의 시간에서 그라운드는 하나의 단으로 끝나지만 항상 그렇지는 않다. 어떤 회로는 양단 그라운드를 필요로 한다.

●  새로운 건축 방법과 재료는 실제 문제를 유발할 수 있다. -  전기적 도체로서의 유익이 있는 구조물 요소의 제거는 전기적 문제를 유발한다.

●  부적절하게 설치된 번개 보호 시스템은 더 큰 손상을 유발할 수 있고 어떤 번개 보호도 하지 못 할 수 있다.

* 위상 도체: 다상(polyphase) 회로에서  중립(neutral)를 도체를 제외한 다른 어떤 도체

안전

실제로, 그라운딩의 목적은 공통 기준 점을 제공하는 것 보다 더 많다. 그것은 안전의 열쇠이다. 즉 다음을 보호 한다.

●  사람

●  장비

●  시설

전기적 위험으로부터 사람, 장비, 시설을 보호하는 것을 고려할 때, 그라운딩과 과전류 보호 둘 다 고려할 필요가 있고 그것이 서로 어떻게 관련되는지 알 필요가 있다. 그것은 함께 진행된다. 어떤 시설의 전기 보호 시스템은 다음과 같은 의도가 있다:

●  감전, 화재로부터 사람 보호

●  고장, 화재로부터 장비와 시설 보호

●  케이블 고장으로부터 전기 회로 보호

보호 시스템이 의도된 대로 작동하기 위해서, 먼저 작동 해야만 하고, 다음으로 위험을 제거하거나 최소한 최소화 하기에 충분히 빨리 작동해야만 한다. 그 곳이 적절한 그라운딩이 역할을 하는 곳이다.

다른 사실은, 대부분의 경우에 사고와 실패는 동시에 일어나는 2개의 이벤트나 고장 때문이다. 예들 들어, 빈약한 그라운드는 차체로 문제를 유발하지 않지만 쇼트 회로에 커플 되어 사고가 난다. 다르게 말하면, 부적절하게 설치되는 그라운드 시스템(부적절한 회로 보호를 갖고 있는)은 쇼트 회로가 발생할 때까지 문제를 유발하지 않을 것이다. 결국 회로 차단기는 열리지 않고 장비는 파괴될 것이다.

많은 경우에, 전기적 문제의 감소와 잠재적 제거는 적절한 그라운딩의 함수이다. 그라운딩은 오옴의 법칙을 적절히 응용해서 비정상적인 전압과 전류를 제어하는 것이다.

           E = IR

           E = IR + jIX_C + jIX_L

그라운딩은 E와 I의 효과를 줄이기 위해 R을 제어하거나 최소화 하는 것이다. 부적절한 그라운딩은 그라운딩이 없는 것보다 더 큰 위험을 초래할 수 있다. 그라운딩에 대한 잘못된 이해는 효과가 없거나 심지어 더 나쁜 즉 위험하고 부적절한 그라운딩 시스템의 설치를 이끌 수 있다.

전기 쇼크

전기 쇼크(감전)는 사람 몸의 두 부분이 다른 전위차를 가진 회로의 도체와 접촉할 때 몸을 가로 지른 전위차의 차이가 발생되어 일어난다. 사람 몸은 저항을 가지고 있고 몸이 전위가 다른 두 도체 사이에 연결되면 몸을 통해서 회로가 형성이 되고 전류가 흐른다.

사람 몸이 하나의 도체에만 연결되면, 회로가 형성되지 않고 아무 일도 일어나지 않는다. 사람 몸이 회로의 도체와 연결 될 때, 전압이 어떻든지, 위험 잠재성이 있다. 전위 차이가 클수록 위험은 크다. 전기 쇼크의 효과는 몸의 어떤 부위가 도체에 연결되었는지의 함수이다. 각 접촉 점의 저항 즉 접촉 부위에서 몸의 표면 저항도 또한 요소이다.

전기적 접촉이 인체를 경유하는 회로 경로가 심장을 가로지를 때, 사망할 잠재성은 최대가 된다. 아래 그림에 보이는 것처럼, 인체의 저항은 500 ohms부터 600k ohms까지 변한다. 피부가 촉촉해지면, 접촉 저항은 줄어든다. 피부가 소금을 포함한 땀 때문에 촉촉해지면 저항은 더 심하게 떨어진다. 아래 그림은 인체를 가로지르는 3개의 다른 전위차에서 인체를 흐를 수 있는 전류의 양을 보여준다. 또한 AC와 DC에서 다른 전류 레벨 효과를 보여준다. 궁극의 효과는 심장이 멈춰서 죽게 만드는 섬유화이다.

13,800v 같은 고 전압이 관여되면, 몸은 문자 그대로 익이서 터진다. 아래 그림은 또한 인체가 어떻게 감전될 수 있는지를 묘사하는 Safe Sally와 Suzie Sizzle 두 막대 그림을 보여준다. 여성의 이름은 단지 기억하기 좋도록 지어진 것이다.

쇼트 회로

전기 쇼크가 어떻게 발생하고 그라운딩이 어떻게 적용되는지 분석하기 위해서, 관련된 회로를 살펴볼 필요가 있다. 아래 그림은 소스(트랜스포머 또는 모든 AC 회로에 대한 제너레이터), 회로 보호, 도체(R1), 그리고 부하(RL)로 구성된 기초 회로를 묘사한다. 쇼트 회로는 파워 소스와 부하 사이에 의도하지 않은 어떤 연결(R_SC)이다. 아래 두 번째 그림을 보라. 쇼트 회로는 완전 쇼트, 순간적인 쇼트, 간헐적인 쇼트, 또는 하이 임피던스 쇼트 등으로 분류된다. 완전 쇼트는 매우 드문 경우로 두 도체 사이의 저항이 매우 낮다. 많은 경우에 쇼트는 높은 저항성 쇼트이거나 순간적이거나 간헐적이다. 높은 저항성 쇼트는 고 저항이나 임피던스 연결로 시작하지만 일반적으로 낮은 임피던스 연결로 진행된다.

전기 시스템에서 쇼트는 phase-to-phase, phase-to-neutral, 또는 phase-to-ground로 분류된다. 아래 그림은 전형적인 phase-to-phase 또는 phase-to-neutral 쇼트를 보여준다.

아래 그림은 기본 phase-to-ground 쇼트를 보여준다. 대부분의 쇼트는 phase-to-ground이고 phase-to-phase 또는 phase-to-neutral로 시작해서 phase-to-ground로 진행한다.

쇼트 회로와 그것이 유발하는 손상으로부터의 보호를 생각할 때, 주워진 회로에서 흐를 수 있는 쇼트 전류의 최대 량을 알 필요가 있다.

AC 파워 시스템을 고려할 때, 공급 트랜스포머나 제너레이터의 임피던스가 가용한 쇼트 회로 전류 I_SC의 양을 결정한다. 트랜스포머나 제너레이터로부터의 거리, 리드 길이, 도체 저항이 쇼트 전류의 양을 줄인다. 쇼트 회로 사이에 연결된 모터와 공급 트랜스포머나 제너레이터는 제너레이터처럼 행동해서 쇼트 전류의 흐름을 더 한다.

쇼트 회로가 유발할 수 있는 손상의 양과 타입을 생각할 필요가 있다. 완전 쇼트가 가장 파괴적이라고 생각할 수 있을 것이다. 임피던스가 가장 낮고 가장 큰 전류를 흘릴 수 있는 완전 쇼트가 실제로는 종종 가장 덜 파괴적이다. 간단한 아크가 화재를 유발함으로써 매우 파괴적일 수 있다. 대부분의 아크는 120VAC에서 0.5~1 ohm의 저항을 갖는다. 따라서 아크는 매우 짧은 시간 동안 120에서 240A 사이의 전류를 흘릴 수 있다. 이것은 14,400에서 28,800W 사이의 열을 만들어낸다. 20,000W는 모든 방향으로 날아가는 1/16” 직경의 구리 소립자를 만들 낼 것이다. 따라서 화재가 시작된다.

중요한 것은 어떤 단위 시간 동안 집중된 와트 밀도이다. 아래 그림은 그 시점을 묘사한다. 큰 구리 바를 통해서 흐르는 1000A는 어떤 것을 할 수 있는 충분한 열을 만들지 못하지만, 매우 작은 접촉 면을 가진 아크는 구리 소립자를 만들 수 있다. 이것을 바라보는 다른 관점은, 5W 크리스마스 트리 전구를 생각해 보라. 쇼트 회로의 대부분은 작은 전류가 흐르는 아크 결함이고 종종 화재로 이어진다.

쇼트 회로는 그것이 phase-to-phase, phase-to-neutral, 또는 phase-to-ground든지 간에 일반적으로 완전 쇼트가 아니라 상대적으로 높은 임피던스이다. 대부분의 120VAC 회로는 15A 퓨즈나 회로 차단기로 보호된다.  쇼트가 발생하면, 휴즈나 회로 차단기가 보호를 해서 회로를 오픈 시킬 것이라고 생각할 수 있다. 그러나 많은 경우에 그렇지 않다.

보호 장치가 기능하기 위해서, 쇼트는 감지할 수 있는 충분한 시간 동안 충분한 전류가 있어야만 한다. 15A 보호 장치에 대해서 15A 이상의 쇼트 전류가 있어야 한다. 아래 그림은 전형적인 퓨즈의 시간-전류 특성을 보여준다. 제일 왼쪽 곡선이 15A 퓨즈이다. 15A 퓨즈가 오픈 되고 고장을 종료시키려면 0.2초 동안에 100A가 필요하고, 10초 동안에 70A가 필요하며 1000초 동안에는 20A가 필요하다. 아크 회로는 긴 시간 동안에 구리 소립자를 만들 수 있고 퓨즈를 오픈 시키지 않는다.

과전류 보호는 주로 과부하와 어떤 타입의 쇼트 회로를 보호한다. 과전류 보호 시스템이 아무리 좋을지라도 그것이 항상 작동하는 것은 아니다. 대부분의 쇼트 회로는 phase-to-ground 고장으로 진행하기 때문에 ground 고장 보호가 추가 보호를 제공할 유일한 시스템이다.

그라운드

그라운드 라는 말은 일반적으로 전기 회로의 한 부분을 땅에 연결하는 것을 말한다. 이렇게 하는 이유가 몇 개 있다. 먼저, 우리의 시설과 장비는 하나 이상의 방법으로 땅에 연결된다. 왜냐하면 대부분의 물질이 어떤 확장으로 구성되기 때문이다. 또한 땅은 일반적인 조건 하에서 매우 도전적(conductive)이다.

좋든 싫든, 전기 회로, 근처 구조 물질, 그리고 땅은 내부적으로, 사고(accident)로, 혹은 인덕티브 그리고/또는 커패시티브 커플링에 의한 자연 현상으로 서로 연결된다. 토마스 에디슨이 전구를 발명한 후에 전기의 사용이 퍼지면서, 많은 화재와 사고가 발생했다. 각 전기 회로의 한 점을 공통 기준점인 땅에 연결함으로써, 전기 시스템 간에 전위 차이가 제어될 수 있고 전기 시스템이 안전하게 만들어 질 수 있다는 것이 발견되었다.

아래 그림은 어떻게 전기 시스템이 안전하게 만들어질 수 있는지 묘사하고 있다. 기본 원리를 설명하기 위해서 간단한 모터 회로의 예를 사용한다. 전기 시스템이 실패할 수 있는 많은 방법이 있다는 것을 이해 해야만 한다. 트랜스포머 와인딩은 트랜스포머 케이스에 쇼트 될 수 있다.  모터 와인딩은 모터 하우징에 쇼트 될 수 있고, 와이어는 서로 혹은 주변을 감싸고 있는 것과 쇼트 될 수 있다. 많은 움직이는 아이템은 다루어져야 할 정전기를 생성한다. 아래 그림에서 트랜스포머는 낮은 임피던스 연결 Z_LO를 통해서 땅에 연결된 것을 보여준다. 이것은 일반적으로 제공되는 의도된 그라운드이지만, 또한 높은 임피던스 연결이 될 수도 있다. 아래 그림에서 가상적으로 모든 것이 함께 연결 되었다.

아래 그림은 모터 와인딩이 실패해서 하우징에 쇼트 되었을 때 사람이 모터 하우징을 만지면서 I 빔 같은 구조물에 닿아 있는 경우를 보여준다. Suzie Sizzle은 회로의 한 부분이 된다. 임피던스가 높기 때문에 회로 차단기는 열리지 않는다.

 아래 그림은 어떻게 모터가 스틸 컬럼에 그라운드 연결되어 설치되어야 하는지 보여준다.

아래 그림에서 다시 모터가 실패한다. 이번에는 Safe Sally가 될 수 있다.

쇼트 회로 전류는 낮은 임피던스 경로를 통해서 흐른다. 이 그림에서 건물 철과 파워 그라운드 사이에 높은 임피던스 연결 문제가 또한 묘사된다. Sally는 여전히 안전하겠지만 모터는 실패할 것이다. 높은 임피던스 때문에 실패 전류는 적고 회로 차단기는 열리지 않을 것이다. 와인딩의 일부가 쇼트 되었기 때문에 모터는 과부하 될 것이고 열이 올라갈 것이고 아마 결국 불이 날 것이다. 보여진 높은 임피던스는 종종 우리가 땅이 낮은 임피던스 그라운드라고 믿는 데서 – 항상 그런 것은 아니다 - 발생한다. 똑같은 상황이 트랜스포머가 높은 임피던스로 땅에 연결될 때 발생한다.

오늘날 대부분의 설치에서, 회로 도체는 아래 그림에서 보여지는 것처럼 도체를 물리적으로 보호하기 위해서 금속 도관 속에서 진행한다. 일반적으로 금속 도관은 땅에 연결 되고 종종 트랜스포머용 그라운드 시스템에 연결(bond)된다. 모터는 일반적으로 금속 도관에 직접 연결되지는 않고 종종 금속으로 만들어진 유연한 연결을 사용한다.

아래 그림은 유연한 연결이 끊어지거나 종종 일어 나듯이 연결이 poor할 때 발생한다.

아래 그림은 도관을 직접 모터에 연결할 때 발생한다. 모터의 진동과 움직임 때문에 연결이 끊어진다.

아래 그림에서 2개의 연결이 추가되었다. 먼저 트랜스포머가 빌딩 구조물 철에 연결(bond)되고, 다음으로 모터가 구조적 철에 연결(bond)된다. 이 예에서 Sally는 안전하다.

다음 그림은 본딩 점퍼를 보여둔다.

다음 그림은 그라운드 와이어가 회로 도체와 함께 진행하는 것을 보여준다. 도관 연결에서 특히 유연한 도관 타입에서, 끊어짐이 자주 발생한다. National Electrical Code에서는 모터의 유연한 연결 주변에 본딩 점퍼 또는 위상 도체와 함께 그라운드 도체를 진행할 것을 요구한다.

파워 소스

좋은 저 저항 땅 연결은 중요하다. 그러나 더 중요한 것은 좋은 등 전위 판이다. 그것은 한 시설 내에 있는 모든 건물과 구조물이 저 저항 경로를 통해서 서로 연결(bond)되는 것이다.

정의(Definitions)

아래 그림은 전형적인 삼상 시스템을 그라운딩 하는 몇 가지 방법을 보여준다. 대부분의 경우, 트랜스포머 2차는 솔리드 하게 그라운드 된다. 큰 시설에서, 그라운드에 저항성 연결을 제공하거나 심지어 연결에 인덕터를 사용하는 것이 가끔 중요하다. 이렇게 추가된 저항이나 임피던스는 그라운드 실패 전류의 양을 제한한다. 일반적으로 이런 타입의 시스템은 또한 그라운드 실패 모니터링을 한다.

단일 건물

다음 그림들에서 단상 시스템과 삼상 시스템이 모두 묘사 된다. 그림들은 자체 서비스로서 트랜스포머, 메인 회로 차단기 패널과 일반적으로 좀 떨어진 서브 패널을 갖춘 건물을 보여준다.  이 그림들에서 주요 포인트 중에 하나는 메인 패널과 종종 오해되는 서브 패널 사이의 연결이다.

그라운드 도체는 고장 조건을 제외하고 전류가 흐르지 않도록 의도된 반면에 중립 도체는 전류가 흐르도록 의도 된다는 것을 기억하는 것은 중요하다. 아래 그림은 불완전한 설치를 보여준다. 쇼트 회로를 고려할 때, 기본 회로를 상기할 필요가 있다. 모든 쇼트 회로 전류는 트랜스포머로 되돌아 간다. 이 쇼트 회로 경로에 충분한 저항이 있다면 쇼트 회로 전류는 줄어들 것이고 회로 차단기 또는 퓨즈는 전혀 반응하지 않거나 매우 긴 시간 후에나 반응할 것이다. 이것은 화재 또는 감전을 초래한다. 아래 그림에서, 부하 쪽 그라운드 고장은 두 그라운드 막대기(rods) 사이에 땅을 통해서 전류가 흐르는 결과를 가져올 것이다. 이것은 매우 효과적인 리턴 경로가 아니다.

다음 그림은 요구되는 설치를 보여준다. 그라운드 도체가 두 패널 사이에 연결되고 두 패널이 모두 그라운드에 본드 된 것을 살펴본다. 시스템이 단상 시스템이거나 단상 부하가 있으면 중립 도체 또한 실행될 수 있다. 또한 서브 패널에서 중립 단자가 패널로부터 격리되는 것을 주의한다. 이것은 그라운드 도체를 통해서 흐르는 전류로부터 원치 않는 전류를 예방한다.

다중 건물

다중 건물이나 구조 시스템은 대부분의 문제가 발견 되는 곳이다. 특히 오래된 시스템에서 그렇다. 아래 그림은 결함 있는 시스템의 예를 보여준다. 다시, Building 2에서 그라운드 고장은 회로 차단기가 열리고 충분히 빠르게 열리기 위해서 트랜스포머로 돌아갈 낮은 임피던스 경로를 찾아야만 한다.

아래 그림은 먼저 두 건물이 그라운드 될 것을 요구하는 것을 보여준다. 두 번째로, 각 건물의 중립은 건물의 그라운드에 중립이 본드 되어 건물 간에 함께 연결되는 것을 보여준다. 중립 도체는 phase-to-ground 쇼트 하에서 전류를 운반할 수 있다.

아래 그림은 한 단계 더 나가서 각 건물 사이에 그라운드 도체를 제공한다. 이 경우, 두 번째 건물의 중립은 그라운드로부터 격리된다. 삼상 시스템에서, 3상 부하만 있다면, 중립은 요구되지 않는다. 단상 부하가 있다면 그라운드와 중립 도체 모두 요구된다. 자주 간과되는 매우 중요한 점은 이 그라운드 도체가 도관 안에서 위상 도체와 함께 달려야만 한다.

그라운드 그리드가 충분하지 않을 것이다. 그라운드 도체가 위상 도체로부터 멀리 달리면 시스템의 전반적 임피던스에 영향을 줄 것이고 시스템 응답을 느리게 해서 보호 회로가 오프닝을 느리게 하도록 영향을 줄 것이다. 외부 그라운드는 트랜스포머처럼 행동해서 회로에 임피던스를 추가할 것이다. 이것은 테스트를 통해서 증명되었다.

아래 그림은 전체 시설을 커버하는 그라운드 그리드 시스템을 보여준다. 이 시스템은 등 전위 판을 만드는데 매우 중요하다. 그러나 메인과 서브 패널은 여전히 그 사이에 그라운드 도체를 요구한다.

컴퓨터

컴퓨터 시스템과 전자 시스템의 그라운딩은 자체로 하나의 주제이며 여기서 확장하여 다룰 것은 아니다. 몇 가지 점은 매우 주요하게 고려한다. 우선, 적절하게 설치된 컴퓨터 그라운드 시스템은 N.E.C와 완벽히 호환되게 설치될 수 있다. 파워 그라운드에서 완전히 격리된 컴퓨터의 그라운딩 시스템은 불법이며 위험하고 효과가 없다. 다음으로, 신호의 주파수가 중요하다. 60Hz 이상에서 주파수가 증가함에 따라서 도체의 저항은 크게 증가한다.

번개 보호

번개가 유발한 손상은 매우 심각할 수 있다. 번개에 대한 이해의 정도가 크지 않고 더 많은 연구가 필요하다. 번개는 우리 모두가 알듯이 높은 에너지 이다. 번개는 매우 빠른 전류 상승(높은 주파수)을 갖는다.

아래 그림은 폭풍우 동안에 일어나는 것을 묘사한다. 구름은 땅 표면을 따라서 여행을 한다. 공기에 대한 구름 속 수분의 이동 때문에, 전하가 만들어져 쌓인다. 구름의 바닥은 음으로 충전되고 구름 아래 건물이 양으로 충전된다. 구름과 건물 사이의 공기는 하나의 큰 커패시터처럼 행동한다. 커패시터를 가로지르는 전압이 공기의 절연 저항보다 크게 될 때, 번개가 발생하고 높은 전류가 흐르기 시작한다.

번개 보호 시스템은 사실 번개 수집기이다. 번개 보호 시스템은 땅으로 연결된 금속 막대기 이고 건물의 가장 높은 점에 설치된다.

 아래 그림처럼 폭풍우가 접근하면 대전된 구름이 땅을 가로질러 이동한다. 유사하게 양전하 덩어리가 땅을 통해서 이동한다. 건물을 지날 때처럼 두 전하 사이의 간격이 줄어들 때, 번개가 친다. 번개 보호 시스템이 하는 것은 제어되는 방법으로 이 두 전하가 있는 회로를 쇼트 시키는 것이다. 공기 단자(air terminal)라고 불리는 뾰족한 번개 막대기(피뢰침)는 전하를 방출한다. 아이디어는 매우 높은 에너지의 번개가 발생하는 전하가 만들어지기 전에 가능한 한 많은 전하를 소모시키는 것이다.

다른 중요한 사실은 이 이동하는 전하 덩어리의 중요성을 이해하는 것이다. 이 전하 덩어리는 상호연결 된 빌딩 간에 전위 차이를 만든다. 일반적인 조건에서 건물 사이에 최소의 전위 차이가 있다. 그러나 폭풍우 조건에서, 이 차이는 50Kv까지 증가할 수 있다. 이것은 상호연결 된 장비와 도체 절연을 손상할 수 있다. 이런 종류의 문제로부터 보호하기 위해서 모든 건물은 함께 연결되어야 한다.

많은 시설들이 건물들을 상호연결하기 위해서 땅에 의존한다. 그러나 땅의 저항은 크게 변한다. 땅의 저항에서 중요한 요소는 수분이다. 건물 주변의 많은 영역이 포장되어 있다. 아래에 땅은 건조하고 저항은 증가한다. 아래 그림에서 보여주는 상호연결 그라운드 그리드는 땅과 병렬인 그라운드 판을 형성한다. 이 그리드로 땅의 저항은 덜 중요해 진다. 형성되는 것은 등 전윈 판으로 땅의 저항을 줄이고 건물 간의 전위 차이를 최소화 한다.

번개 보호 시스템 설치의 오류는 심각할 수 있고 설치되지 않은 것보다 더 위험할 수 있다.

부적절한 번개 보호 시스템은 치는 번개의 전위차를 증가시킬 수 있고, 재물에 심각한 손상과 사람에게 상처를 줄 수 있다. 적절한 번개 보호 시스템은 축적된 전하를 소모해서 번개를 줄이고 번개 전류의 흐름을 전기 시스템으로부터 멀리 흐르게 제어한다.

정전기 제어

이것은 깊이 있는 연구가 필요한 다른 주제이다. 몇 년 동안 콘크리트 바닥은 콘크리트 속에 와이어 메쉬를 추가함으로써 강화되고 있다. 지난 20년 동안 많은 바닥에 대한 제조 방법 특히 상대적으로 가벼운 부하를 지지하는데 필요한 방법이 변했다. 비용 절감 때문에 와이이 메쉬가 생략되었다. 최근에 이 와이어 메쉬의 두 번째 이득이 발견되었다. 이것의 제거는 문제를 유발할 수 있다.

정전기 문제가 있는 몇 개의 가게를 조사하는 동안에, 이 가게들이 이 와이어 메쉬 없이 만들어 졌고 땅속에 바위가 많은 지역에 설치되었다는 것이 확인 되었다. 기본적으로 가게는 바위 위에 설치되었다.  같은 크기, 같은 디자인, 같은 나이의 많은 가게에 대한 비교를 통해서 와이어 메쉬가 범인인 것이 결정되었다. 바닥 판 아래로 10에서 20피트 땅을 가진 가게는 와이어 메쉬가 없어도 정전기 문제가 없었다. 와이어 메쉬를 가진 바위 위에 있는 가계도 문제가 없었다. 바위 위에 있으면서 와이어 메쉬가 없는 가게들만 문제가 있었다.

모든 콘크리트는 약간의 전기 저항을 갖고 바닥은 그라운드 판이 된다. 와이어 매쉬는 콘크리트의 저항을 줄여서 사람이 가게를 걸으면서 발생되는 전하의 누적을 방전시킨다. 다음 그림은 땅 조건이 나쁜 곳에서 디자인 되어야 할 바닥을 보여준다.

원문: Principles of Electrical Grounding. By John C. Pfeiffer, P.E.

오늘 Ansys Conference에 다녀왔다. 2000년대 초부터 참석을 했으니 10년 넘게 참석하고 있다. 아마 지금까지 대여섯번 이상 참석했을 것 같다. 뭐 매번 비슷한 내용이라 매년 참석하는 것은 별로 영양가가 없는 것 같기도 하다. 10여년 참석하다보니 응용되는 제품의 트렌트가 조금씩 변하는 것을 느낄 수는 있는 것 같다. 한 때는 DDR관련 메모리 응용이 잘나가던 때도 있었는데 요즘은 확실히 모바일(차량/휴대폰) 응용이 대세인 것 같다. 아무래도 툴 회사에서 개최하는 행사이다 보니 자신들의 툴 소개 및 그 툴의 응용 예에 대한 내용이 주를 이룬다.

시작 연설에 이런 내용이 있었다. 2005년에는 22명의 엔지니어 중 1명이 시뮬레이션 툴을 사용했고 2015년 현재 6명의 엔지니어 중 1명이 시뮬레이션 툴을 사용한다고 한다. 그런데 2020년이 되면 모든 엔지니어가 시뮬레이션 툴을 사용할 것이라고 한다. 마치 1980년에대 컴퓨터가 일부 엔지니어들만 사용하던 것에서 현재 모든 엔지니어가 사용하듯이 말이다. 툴 사용이 반드시 필요하다는 것은 100% 맞는 말이다(총 없이 전쟁터에 나갈 수는 없으니까. 그러나 총만 가지고 이길 수는 없다).

그런데 툴을 지칭하는 용어가 사람마다 조금씩 다른 것을 보게 되는데, 어떤 사람은 해석 툴이라고 부르고 다른 어떤 사람은 시뮬레이션 툴이라고 부른다. 어떤 것이 맞는 말일까? 둘 다 맞는 말일까? 나는 항상 용어의 정확한 사용이 모든 시작의 기초라고 생가하기 때문에 가급적 정확한 용어를 사용하기를 원한다. 왜냐하면 용어를 헷갈리면 머릿 속에 자리잡는 개념이 헷갈리기 때문이다.  그런데 현실은 다수의 사람들이 사용하는 용어를 사용할 수 밖에 없는 어려움이 따르기도 한다. 암튼...

해석(analysis)라는 말은 어떤 현상의 의미를 이해하거나 판단하는 것이다. 그리고 시뮬레이션(simulation)은 어떤 상황이나 과정의 행위를 흉내 내는 것이다. 둘은 완전히 다른 의미이다. 따라서 시뮬레이션 툴이라는 것은 어떤 상황을 흉내 내주는 도구를 의미하는 것이고 해석 툴이라는 것은 어떤 현상을 판단해주는 도구라는 의미이다. 시뮬레이션 툴의 대표적인 것은 아마도 SPICE일 것이다. 나는 지금까지 SPICE를 해석툴이라고 부르는 것을 들은 적이 없다. SPICE는 실제 회로에서 일어나는 행위를 유사하게 흉내내 준다. Ansys사의 Designer나  Agilent ADS 등은 SI 분야에서 많이 사용되는 시뮬레이션 도구 이다. 그럼 Ansys의 Siwave나 Cadence의 PowerSI 같은 툴은 무슨 툴일까? 많은 사람들이 해석 툴이라고 부르는 것을 들어 보았다. 그러나 그것은 시뮬레이션에 필요한 모델을 추출해주는 툴에 가깝다. 따라서 그런 툴들은 모델링 툴이라고 부르는 것이 적당할 것으로 생각된다. 아마도 HFSS 같은 툴은 모델링 기능과 시뮬레이션 기능이 복합된 툴로 볼 수 있을 것이다. 나는 사실 아직까지 제대로된 해석 툴은 없다고 생각한다. 해석은 판단을 하는 것이다. 각종 상황을 설정하고 그 상황을 시뮬레이션 해서 얻은 결과를 판단하는 것은 아직까지는 대부분 엔지니어의 몫이다. 따라서 굳이 해석 툴이 뭐냐라고 한다면 엔지니어의 머리 일 것이다. 툴이 그것을 대신하게 된다면 엔지니어는 툴을 운영하는 오퍼레이터가 될 것이다.

툴 사용법을 익히는 것에 집착하는 사람들이 가끔 있는데, 그것은 도구의 사용법애 잡척하는 것이다. 도구를 어떤 상황에 어떻게 쓸것인가 그리고 그 결과를 어떻게 사용할 것인가를 잘 아는 것이 해석의 힘이다. 툴이 강력해 지면 해석이 수월해지는 것은 사실이다. 그러나 더 나은 해석 결과를 얻으려면 머리 속 에서 돌아가는 도구를 좀 더 개발할 필요가 있다고 생각한다. 그것은 기본적인 이론 지식을 머리에 담아두는 것과 다양하고 충분한 실습을 통해 현실 감각을 머릿 속에 담아두는 것이다.

시작 단의 반사파를 예방하기 위해서, 즉 링잉(ringing)을 억제하기 위해서 직렬 저항을 드라이버의 출력 바로 뒤에 삽입한다. 우리는 이것을 시리얼 터미네이션 이라고 부르는데, 그 값은 PCB(인터커넥션)의 특성 임피던스에서 드라이버 출력 임피던스를 뺀 값이다.

드라이버와 직렬 저항을 물리적으로 충분히 가깝게 배치할 경우 그 둘은 하나로 lumped하게 볼 수 있다. 따라서 드라이버의 출력 임피던스와 저항 임피던스가 더해져서 그 값이 인터커녁션(PCB)의 임피던스와 같게 되면 반사가 발생하지 않는다.

그런데, 위 설명은 이상적인 것을 말하고 현실은 다소 다를 수 있다. 먼저 드라이버의 pull-up 특성과 pull-down 특성이 다를 경우를 흔히 볼 수 있는데, 그러면 pull-down 때의 저항 값과 pull-up 때의 저항 값이 달라야 하는데 이는 물리적으로 불가능하므로 둘 사이 값으로 적당히 타협을 보는 것이 일반적일 것이다. 물론 요즘처럼 기가 대역의 신호를 사용하는 경우는 칩 내에 드라이버의 pull-up/pull-down 임피던스를 정확히 50 ohm에 맞추도록 캘리브레이션 하는 기능이 내장되어 있는 경우가 많아, PCB 상에서 저항을 넣지 않아도 되는 경우도 있다.

여기서 고찰해 보고 싶은 것은 드라이버의 출력 임피던스를 정확히 잘 모를 때 혹은 정확히 알고 있더라도 의도적으로 인터커넥트의 임피던스와 맞추지 않고 싶은 경우이다. 자 여기에 출력 임피던스를 잘 모르는 드라이버가 있다고 하자. 직렬 저항 값을 얼마로 선택할 것인가?

여기에는 어느 정도 합리적인 가정이 필요하다(가정을 잘 하는 것도 기술이다). 드라이버의 출력 임피던스를 20~40 ohm 이라고 가정 하자. 인터커넥션의 임피던스를 50ohm으로 설계한다고 하면, 직렬 저항은 30~10 ohm이 되어야 할 것이다. 값의 폭이 넓다. 어떤 값을 선택할 것인가?

아마도 저항 값으로 가정의 중간인 20 ohm을 선택할 수도 있을 것이다. 그런데 여기서 의도적으로 10ohm이나 30 ohm을 선택할 수도 있는데, 어떤 경우에 그럴 수 있는지 살펴 보자.

신호의 동작 주파수가 GHz 대역의 고속 신호인 경우, 고주파 손실 크고 한 주기가 매우 짧기 때문에, 데이터 아이(eye)를 확보하는 것이 매우 중요하다. 따라서 신호 크기를 키운다는 관점에서 인터커넥션보다 드라이버+저항 임피던스가 작은 것이 유리하다. 따라서 의도적으로 저항 값을 10 ohm으로 선택할 수 있다. 이것은 고의적으로 링잉을 다소 만들 수 이지만 eye가 확보된다는 면에서 장점으로 작용한다. 또는 동작 주파수가 고속이 아닐지라도 인터커녁션의 길이가 매우 긴 경우 고주파 손실이 매우 많이 발생하는데 이것을 보상하는 차원에서 드라이버 + 저항 임피던스를 낮게 할 수 있다. 드라이버 단의 링잉 성분은 리시버 단에서 사라져 있을 것이다. 만약에 신호의 동작 주파수가 수십 MHz 대역이면서 신호 채널이 데이지 체인으로 구성된 경우,  임피던스 불연속이 불가피한 경우가 발생할 경우, 신호를 스트로빙 할 수 있는 구간이 매우 넓기 때문에 노이즈를 최대한 억제하는 것이 좋다. 노이즈는 변하는 전류량이 크기에 비례하기 때문에 변하는 전류량을 작게 하는 것이 유리하므로 직렬 저항 값을 30 ohm으로 선택할 수 있다.

직렬 저항 값을 항상 PCB 특성 임피던스에서 드라이버 임피던스를 뺀 것이라는 생각을 접어두고 필요에 따라서 값을 다소 키우거나 줄일 수도 있다는 생각을 할 필요가 있다.