전원 전류와 다중 혼성 IC

이겨서는 전원 전류와 우리가 배운 것을 어떻게 다중 혼성 IC를 가지 회로에 적용할 지를 생각한다.

전원은 무엇인가?
"신호 경로 크로스톡 최소화를 위한 디자인" 편에서, 예제 레이아웃에서 그라운드 컷을 제거 하기로 결정했다. 왜냐하면 컷을 가로지르기를 원하는 신호 리턴 전류가 없기 때문이었다. 그러나, 우리는 전원 연결을 고려해야만 한다. 만약 아날로그와 디지털 전원 둘 다 정확히 같은 공급 장치에서 온 것이라면, 소스와 그것의 리턴은 컷의 한 쪽 면 혹은 다른 쪽 면에만 있어야 한다(아래 그림).

이 경우 컷의 다른 쪽으로부터 온 모든 DC 리턴 전류(상당한 전류가 바이패스 커패시터가 아니라 공급 장치에서 올 정도로 충분히 낮은 주파수)는 전원 리턴 연결로 직접 가기 보다는 좁은 그라운드 브리지를 통해서 집중되어야만 한다. 이것은 그 경로를 길어지게 만든다. 레지스턴스를 커지게 만든다. 따라서 전압 강하가 커진다. 이 레이아웃은 ADC의 핀이 신호 전류를 싱크하는 리턴 그라운드 전류에 대해서 문제가 없다. 왜냐하면  이 전류는  브리지에서 둘 다 있는 그라운드 핀으로부터 리턴 되기 때문이다. 그러나, 다른 부품에 있는 그라운드 핀에서 나오는 전류는 간접적인 라우트를 취해야만 한다. 아래 그림은 이런 전류를 묘사한다.

컷 제거하기

컷을 제거 하면, DC 리턴 전류는 더 낮은 저항과 적은 전압 강하로 더 직접적으로 흐를 수 있다. 아래 그림은 컷이 제거된 같은 그라운드 전류를 보여준다.

같은 생각이 다중 레일이 있는 상황으로 확장 될 수 있다. 단일 레일에서 했던 것처럼 단지 리턴 전류가 흐를 곳을 생각하고 다중 레일을 고려해야 한다.

다중 혼성 IC의 그라운딩 도전

이 논의는 "신호 경로 크로스톡 최소화를 위한 디자인" 편에서 단일 IC의 회로 다이어그램으로 되돌아 가서 시작한다. 거기서 모든 트래이스는 적절한 편에서 라우트 된다. 컷은 그것을 가로지르길 원하는 전류가 없기 때문에 어던 목적도 수행하지 않는다. 컷 그라운드 판의 문제는 아날로그와 디지털 그라운드 둘 다를 요구하는 IC가 하나 이상인 디자인을 고려할 때 더 분명해 진다. 위에서 논의된 것과 같은 ADC 2개를 가지고 있다고 가정하자. 아래 그림은 이 구성을 보여주고 원하는 단일 점 그라운드를 얻기가 어떻게 불가능한지 보여준다.

이 상황에 대한 즉각적인 반응은 ADC 중 하나를 180도로 돌리는 것이다. 따라서 2개를 단일 점 그라운드로 합치는 것이다. 그러나, 그것은 한 IC의 북쪽에 디지털 부분을 남쪽에 아날로그 부분을 놓게 된다. 결과는 혼돈이다. 각 다른 방향으로 다량의 아날로그와 디지털이 섞인다. 심지어 이것이 작동한다 해도, 아날로그와 디지털 둘 다 가진 3개 이상의 칩에 대해서는 문제를 풀 수 없다. 다행히, 단일 혼성 IC에 대해서 다룬 전 1, 2 편에서 논의된 동일 그라운딩 원칙을 적용할 수 있다. 우리는 거기에 컷이 있다고 상상할 수 있다. 또는 가상으로 도전 받는 것처럼 임시로 컷을 삽입할 수 있다. 그런 다음 부품을 배치하고 컷을 가로지르지 않도록 라우트 한다. 또한 ADC1의 아날로그 신호를 ADC2의 아날로그 신호 그라운드 경로 공유로부터 떼어놓을 필요가 있다. 이것은 우리가 자연스럽게 각 ADC 회로의 부품을 이웃 보다는 해당 ADC에 가깝게 배치하므로 서 쉽게 달성할 수 있다. 이것은 아래 그림 처럼 보인다. 신호 전류가 빨간 색 선으로 보이고 AC 리턴 전류가 오랜지 색 선이다.

단일 혼성 IC의 예처럼, 어떤 전류도 컷을 가로지르길 원치 않는다. 따라서 컷은 제거될 수 있다. 같은 생각이 더 복잡한 상황으로 확장될 수 있다. 일반적으로, 어떤 신호에 대해서 전류가 어디로 흐를 것인가 그리고 그것이 같은 금속을 통해 흐르는 다른 전류에 의해서 어떻게 간섭되거나 방해 받을 것인가를 생각하는 것은 좋은 아이디어 있다. 이것은 대부분의 어플리케이션에서 충분하다.

때로는 컷이 유용할 수 있다

커넥터의 원하는 위치 같은 다양한 기구적 제약이 전류의 흐름을 - 특히 저주파나 DC 전류에서 - 보호를 원하는 회로로부터 격리 시키는 것을 어렵게 만드는 상황이 있다. 이런 경우 우리는 그라운드 판에 컷을 분별 있게 배치하는 것에 의존해야만 할 수 있다. 이런 복잡함을 피하기 위한 희망이 프로젝트 초기에 PCB 부품의 배치를 따라서 커넥터의 물리적 배치를 고려하고 라우팅 하는 좋은 동기이다. 디자인 착수 시에 레이아웃을 고려해서 커넥터가 배치되면, 최종 레이아웃을 훨씬 쉽고 깨끗하고, 무엇보다도 성공적으로 만들 수 있다. 심지어 기구적 배치와 신호 흐름 사이에서 상호작용을 조심스럽게 고려할 때도, 외부 요구 사항이 어떤 전류를 그것이 흐르지 않았으면 하는 곳에서 격리시키는 것을 어렵게 만드는 곳에 인터페이스를 놓게 하는 상항이 쉽게 발생할 수 있다. 아래 그림은 시스템 요구사항 때문에 특정 위치에 디지털, 아날로그, 그리고 파워 인터페이스를 갖는 보드를 보여준다. 민감한 아날로그 회로로부터 인접하지만 노이즈한 디지털 컨텐츠를 분리해서 잘 배치했다. 위에 언급된 대로, 아날로그와 디지털 둘 다 가진 칩은 현명하게 경계 영역에 배치한다.

파워 레귤레이터 배치를 잘해서 아날로그와 디지털에 대한 고주파 그라운드 리턴이 경로를 공유하지 않을 것이다. 그러나, DC와 저주파 전원 전류는 최저 저항 경로 즉 직선으로 좌하단에 있는 전원 공급 그라운드로 모두 돌아올 것이라는 것을 기억한다. 결과적으로 디지털 구역의 오른쪽 아래 영역에서 나온 큰 DC 혹은 저주파 전류가 민감한 아날로그 회로를 지나서 직선으로 달릴 것이다. 아날로그와 디지털 회로 영역 사이에 보드 오른쪽 가장자리 까지 확장하는 수평 컷을 배치함으로써 이것을 해결할 수 있다. 그러나, 컷을 가로질러 디지털과 아날로그 사이에 인터페이스 신호를 달리게 하고 싶지는 않다. 컷 둘레로 이 트래이스들을 라우팅하는 것은 길고, 매우 비실용적이다. 특히 그것들이 많거나 빠르다면 더욱 그렇다. 다른 아이디어는 아날로그 회로와 아날로그 레귤레이터 사이에 수직 컷을 배치해서 디지털 전원 리턴 전류가 아날로그 회로로부터 멀리 흐르게 하는 것이다. 이것은 또한 아날로그 전원이 컷 둘레로 라우트 될 것을 요구한다. 아래 그림은 이것을 어떻게 만들어지는 지 보여 준다.

디지털 회로에서 전원 공급 그라운드로 최소 저항 경로는 이제 더 이상 직선이 아니다. 대신에, 컷 위로 경로가 지나간다. 따라서 아날로그 회로를 바이패싱 한다. 이 배치는 적절할 것이다. 그러나 보이는 것처럼 몇 개의 아날로그 공급 레일이 있다면 다루기 어려울 수 있다. 어떤 경우에 아날로그 레귤레이터 자체가 아날로그 회로의 바른 동작을 위해 저 노이즈가 필요할 정도로 민감하다. 아래 그림은 다른 배치를 보여준다. 컨셉은 아날로그 레귤레이터가 아날로그 회로와 같은 컷 쪽에 있다는 것을 빼면 위 그림과 같다.

때로는 아날로그 회로를 위해 노이즈한 스위칭 레귤레이터 뒤에서 필터링 하고 저 노이즈 선형 레귤레이터를 사용한다. 유사한 생각이 노이즈한 스위칭 레귤레이터가 놓이는 곳을 결정하는 데 채용된다. 항상 전류가 흐르는 곳을 고려한다.

보드 레벨 디자이너가 증가적으로 만나게 되는 다른 상황은 고주파 신호에 대한 신호 충실도(SI) 이다. 주파수가 GHz 범위로 높아지면서, 서로 가깝게 그리고 평행해서 달리는 트래이스 간에 크로스톡을 발견한다. 이것은 일을 더 복잡하게 한다. 앞 서 배웠듯이, 1 MHz 신호에 대한 아캄볼트 박사의 시뮬레이션에서 보이듯이 그라운드 판 위의 단일 트래이스의 간단한 경우에, 리턴 전류는 신호 트래이스 바로 아래만 포함된 것이 아니라 더 넓다. 어떻게 가까운 평행 트래이스가 그들의 리턴 전류를 혼합하는지 아는 것은 쉽다. 주파수가 높아질수록 그리고 트래이스가 파장에 상당한 퍼센티지가 될수록, 신호는 서로 더 방해하기 쉽다.

결론 - 전류가 흐르는 곳에 주의 하라

혼성 신호 PCB 디자인과 관련된 많은 문제는 다음의 간단한 조언을 따름으로써 피할 수 있다: 전류가 흐르는 곳을 주의 하라. 대부분의 경우에 우리가 해야 할 모든 것은 2 가지 기본 원칙을 기억하는 것이다: DC와 저주파 전류는 소스와 부하 사이에서 가장 작은 저항 경로인 직선으로 대부분 흐른다;  그리고 고주파 신호는 가장 작은 임피던스 경로를 따른다. 그곳은 신호 트래이스 바로 아래이다. 이 주파수 사이에서 두 경로를 그리고 두 경로 사이를 흐른다. 다른 회로 사이에서 상호 작용을 막기 위해서 컷을 사용하는 아이디어는 부품을 현명하게 배치하고 간섭이 발생하지 않도록 트래이스를 라우트하는 한 대부분 불필요하다. 부품이 배치될 곳을 선택할 자유가 항상 있는 것이 아니기 때문에 때로는 그라운드 판 컷이 필요하다. 모든 전류 흐름을 고려하면서 컷을 현명하게 배치하라. 또한 어떤 레이어에서든 신호가 컷을 가로지르지 않도록 하는 것을 기억해야만 한다. 성가시지만, 전자가 흐르고 싶어하는 곳을 추적하라. 그러면 일이 훨씬 쉬워질 것이다. 마지막으로, 당신의 그라운드를 절대 믿지 마라.

원문: Successful PCB grounding with mixed-signal chips - Part.3: Power currents and multiple mixed-signal ICs. Mark Forunato - Sep. 17, 2012

신호 경로 크로스톡 최소화를 위한 디자인

이제 전류 흐름의 원칙을 실제 회로 PCB 레이아웃에 적용할 준비가 되었다. 어떻게 부품을 배치하고 크로스톡 문제를 최소화 할 지 배울 것이다.

바이패스 커패시터는 중요하다

어떤 회로에서 더 완벽히 전류를 기술하려면 각 IC와 전원 공급 장치에서 바이패스 커패시터를 포함해야 한다. 간소화된 2 개의 IC 회로를 예로 시작한다(아래 그림).

위 그림에 바이패스 커패시터를 포함하면 아래 그림처럼 된다. 이 다이어그램은 IC1이 소싱하는 전류 경로를 보여준다.

이 예에서, 신호(부품) 레이어에 인접해서 연속된(솔리드한) 그라운드 판이 있다. 전원이 top 레이어에서 회색 큰 트래이스를 통해 공급된다. 그라운드 판으로 연결은 신호 레이어의 녹색 부분에서 비아를 통해서 만들어진다.

신호(부품) 레이어에서 신호 전류는 점선으로 보여 진다. 이것은 이해하기 매우 쉽다. 신호 전류는 신호 트레이스에 한정 된다. 리턴 전류는 판 전체를 흐를 수 있다. DC 전류는 최소 저항 경로를 통해서 흐를 것이기 때문에, DC 리턴 경로는 부하의 그라운드 핀(이 경우 IC2)에서 전원 공급 장치의 그라운드 연결로 직접 직선으로 흐를 것이라는 것을 우리는 알고 있다. 고주파(전이) 전류는 트래이스와 보드의 지오메트리에 따라 결정되는 분포를 가지고 신호 트래이스 아래에서 흐를 것이다. 이 두 경우 사이에 있는 신호에 대한 전류 흐름에 대해서 더 깊게 파고들 수 있다. 전류의 상당 부분이 전원 공급 장치로부터 흐르는 충분히 낮은 주파수에서 시작을 하자. 이 경우도, 여전히 상호 인덕턴스가 신호 트래이스 아래서 전류가 흐르도록 강제하지만 분포는 매우 넓을 것이다. 또한, 일단 트래이스 아래의 리턴 전류가 IC에 도달하면, 전부 커패시터 그라운드로 돌아가지는 않을 것이다. 대신에, 커패시터로부터 소스된 전류의 소량은 그것의 그라운드로 돌아가고 나머지는 전원 공급 장치 그라운드로 돌아갈 것이다. 마침내, 주파수가 더 느려지면 상호 인덕턴스는 더욱 더 효과가 약해진다. 더 많은 전류가 DC 경로를 통해서 흐를 것이다. 다행히, 이 두 경우의 중간인 경우는, IC 바이패싱과 적절한 파워 공급 모두를 잘 처리하는 한, 고주파와 DC 경우를 다루는 우리의 노력으로 이미 다 다룬 것이다. 이 2개 아이템은 진짜로 같은 노력의 두 면이다. 전원 공급 장치가 그것이 구동하는 IC로부터 멀리 이동하게 되면, 둘 사이의 임피던스 - 레지스턴스와 인덕턴스 모두 - 는 증가할 것이다. 이것은 또한 둘을 연결하는 트래이스 폭이 감소함에 따라서 발생한다. 전원 공급 장치와 IC 사이의 임피던스(리턴 임피던스도 포함하는 것을 기억 하자)가 증가할수록 더 낮은 주파수 전류를 공급하는데 더 많은 바이패스 커패시터에 의존될 것이다. 따라서 전원 공급 임피던스가 증가하면 더 많은 커패시터가 필요하다. 따라서, 다시 우리는 IC 전원에 적절한 바이패싱의 요구를 만족해야만 한다. 완성을 위해서, 아래 그림은 IC2가 소싱할 때 전류 흐름을 보여 준다.

신호(부품) 레이어에서 인터커넥팅 트래이스를 주목한다.  단지 신호 전류와 AC 리턴 전류의 화살표 방향만 바꾸었을 뿐이다. 이 경우 IC2에 대한 바이패스 커패시터는 C2이다. C2는 IC2의 Vdd 핀을 통해서 신호 핀으로 AC 신호 전류를 공급한다. IC1으로 배달되는 신호 전류는 IC1의 그라운드 핀을 통해서 그라운드로 간다; 신호 경로 아래 그라운드 판에 있는 AC 부분 리턴과 전원 공급 장치로 직선으로 된 DC 부분 리턴.

그라운드는 등전위가 아니다

이 시점에서 그라운드 판이 등전위가 아니라는 것을 이해하는 것이 중요하다. 먼저, 그라운드 판은 두께에 상관없이 레지스턴스가 있다. 따라서, 아날로그와 디지털 리턴 전류가(또는 어떤 2개의 전류가) 그라운드 판의 어떤 부분을 공유하면, 구리 저항이 IR 전압 강하를 유발함에 따라서 둘 간에 크로스톡이 발생할 것이다. 이것을 다음처럼 생각한다. 2개의 다른 부품의 그라운드 핀이 거의 같은 점에서 그라운드 판에 연결되고 그것의 전류가 보드의 다른 끝에서 한 점으로 돌아간다. 이 경로를 따르는 판의 구리 저항이 0.01 ohm이고 부품 A는 1 A의 전류를 소싱하며 부품 B는 1 mA를 소싱한다고 가정하자. 이 부품들이 연결되는 끝에서, 그라운드 전압은 전류가 리턴 되는 점에서의 그라운드 전압보다 10 mV 더 높을 것이다. 단지 1 mA만 출력하는 부품 B도 리턴 지점보다 10 mV 상승을 경험하게 될 것이다. 부품 A에서 나오는 전류가 1 A에서 0 A로 바뀌면 부품 B를 참조하는 어떤 전압도 이 전류를 따라서 10 mV 올라가거나 내려가게 될 것이다. 공유된 리턴 경로는 종종 디지털 회로가 아날로그 회로와 함께 있을 때 문제를 유발한다. 공유는 정밀한 아날로그 회로의 바른 동작을 간섭할 수 있다. 그라운드 판을 가로지르는 불 균일한 전압의 원인은 전기적 길이이다. 고주파에서 전류 경로의 길이는 보드에서 전파되는 신호 파장에 상당할 수 있다. 이 기사에서는 이 부분은 다루지 않는다. 짧을수록 좋다 정도로만 말해둔다.

모든 것을  합친다

PCB에서 전류 흐름의 기초를 이해한 상태에서, 이 지식을 혼성 IC의 그라운딩을 바르게 다루는데 사용할 수 있다. 궁극적으로, 목표는 디지털과 아날로그 전류가 같은 리턴 경로를 공유하지 않도록 하는 것이다. 전체 목적이 디지털과 아날로그 신호에 대한 공통적인 리턴 경로를 최소화 하는 것이라는 것을 이제 현실화 시킨다. 이것이 실제 목표이다. 이것을 한다면, 좋지 않은 디지털 신호가 원래의 아날로그 신호를 방해하는 주요 원인을 제거할 것이다.

공통적인 가정은 그라운드 판을 디지털 부분과 아날로그 부분으로 잘라야만(컷) 한다는 것이다. 이것은 좋은 출발이다. 모든 것을 바르게 배치하면, 성능에 변화 없이 컷을 채우는 것을 보게 될 것이다.

이제 그라운드 판을 자른다

아날로그와 디지털 회로를 모두 가진 하나의 부품인 일반 ADC를 보드에 두는 것으로 시작한다. 그 다음에 단일 점 그라운드에 대해서 그라운드 판을 어디서 자를 지 결정할 것이다. 아래 그림은 이번 ADC 칩의 핀 연결을 보여준다. 파워와 그라운드 핀만 명시적으로 레이블 되어 있다. 다른 레이블들은 연결이 아날로그 인지 혹은 디지털 인지를 식별시켜줄 뿐이다. 그것들의 기능은 안 중요하다. 아날로그 핀은 몇 개읜 신호 입력 핀이거나 기준 입력 혹은 출력 중에 하나이다. 디지털 핀은 직렬 혹은 병렬 인터페이스의 한 부분 혹은 제어 핀 또는 칩 선택 핀 일 수 있다. 여기서는 그것들을 그 특정 기능에 관계없이 같이 취급한다.

디지털 핀들이 인접해 있고 아날로그 핀도 인접해 있고 아날로그와 디지털 그라운드가 접해 있다. 이런 배치는 드문 것이 아니다. 왜냐하면 칩 디자이너는 보드 디자이너처럼 같은 현실을 다루어야만 하기 때문이다. 또한 2개의 디지털 그라운드가 있는 것에 주목한다. 이것이 가끔 필요한데 칩의 그라운드 전류가 칩의 한 끝에서 다른 끝으로 달릴 때 문제를 일으키지 않기 위해서 이다. 아날로그와 디지털 핀이 좋게 그룹 되어 있기 때문에, 그라운드 판 컷을 어디에 놓을지 결정하는 것이 매우 쉽다.

인접한 아날로그와 디지털 그라운드 핀 바로 거기서 단일 점 그라운드를 갖는 그라운드 판을 위 그림에서 본다. 일반적으로, 컷 그라운드 판이 이것처럼 사용될 때, 디자이너는 모든 디지털 칩과 관련된 부품을 컷의 한쪽에 두고 모든 아날로그 칩과 관련된 부품을 다른 쪽에 둔다. 이 방식에서 그것들의 그라운드는 그라운드 판의 바른 부분에 연결될 수 있다. 이 예에서 아날로그와 디지털 핀과 신호를 가진 유일한 장치가 ADC라는 것을 상기하자. 이제 모든 디지털 부품을 그라운드 판의 디지털 부분에 모두 놓고 아날로그 부품을 다른 부분에 모두 놓았다고 가정하자. 모두 끝난 것이 아니다. 신호 트레이스 라우팅을 고려해야만 한다.

신호 트래이스 라우팅

아래 그림에 보이는 것처럼 이 디자인에서 다른 IC에서 디지털신호가 라우팅 되는 것으로 시작한다.

이 트래이스는 아날로그 부분의 많은 부분 위로 라우트 되고 그라운드 컷을 두 곳에서 가로지른다. 대부분의 디자이너는 이것이 나쁜 형태라는 것을 알고 있을 것이다. 왜냐하면 아날로그 영역에서 디지털 트래이스가 아날로그 신호를 오염시킬 수 있기 때문이다. 이것이 진실인 반면에, 좀 더 심도 있는 문제는 종종 완전히 이해되지 않는다. AC 전류가 돌아오는 곳을 생각해 보자.

위 그림은 리턴 전류를 오랜지 색으로 보여준다. 리턴 전류가 컷을 만날 때까지 신호 트래이스를 어떻게 따르는지 본다. 컷에서 리턴 전류는 다른 쪽으로 가기 위해서 단일 점 그라운드만 경유할 수 있다. 결론적으로, 아날로그 회로 그라운드를 통해서 달리는 고주파 성분의 디지털 전류 - 우리가 피하려고 시도하는 - 뿐만 아니라 이 신호를 방사할 좋은 2개의 루프 안테나를 만들게 된다. 그라운드 컷 방법이 작동하게 하기 위해서, 디지털과 아날로그 부품이 각각의 컷 부분에 머물러야 하고 트래이스 또한 그래야만 한다. 이 요구사항들을 만족할 때 어떻게 되나? 아래 그림은 모든 신호 트래이스가 그라운드 컷을 가로지르지 않고 라우트 된 것을 보여준다. 리턴 전류는 루프 영역을 최소화 하면서 신호 트래이스 아래에서 흐른다. 왜냐하면 신호 트래이스와 그라운드 판을 분리하는 유일한 것은 PCB 두께 자체 뿐이기 때문이다.

위 그림에서 그라운드 전류를 가까이 보라. 어던 전류도 그라운드 컷을 가로지르지 않는다. 이것은 우리가 부품을 주의 깊게 배치해서 모든 연결(아날로그 또는 디지털)이 그것의 각각의 그라운드 영역 위에 있기 때문이다. 그 다음 모든 트래이스를 적절한 영역 안에 머물도록 라우트 한다. 컷을 가로지르는 전류가 없기 때문에, 컷은 어떠한 목적도 수행하지 않고 제거 될 수 있다(즉 금속으로 채워질 수 있다).

원문: Successful PCB grounding with mixed-signal chips - Part.2: Design to minimize signal path crosstalk. Mark Forunato - Sep. 10, 2012

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.