PCBInside

전자 회로나 시스템을 디자인하는 엔지니어는 그라운딩과 매우 친숙할 것이다. 왜냐하면 모든 회로와 시스템은 그라운딩 지점을 어떻게 배치할 지 다루어야만 하기 때문이다. 그런 이유로 교과서와 전자기 호환 디자인 핸드북 등에서 그라운딩 지침을 가능하면 자세히 다루는 이유이다. 이런 책들을 읽을 때, 개념은 분명히 기술되고 나는 회로, 블랙박스, 서브시스템, 시스템 등에 대에 어떻게 그라운딩 할 지를 이해하는 듯 보였다. 그런데, 그라운딩 포인트를 어디에 어떻게 설치할지를 결정할 해야만 할 때 혼란스러워 지기 시작했다.

어떤 가이드 북에 그라운딩은 엔지니어가 구조(structure), 안전(safety), 파워(power supply), 신호(signal), 노이즈(noise), 시스템(system) 그리고, 낙뢰(lightning) 등에 대한 그라운딩 포인트를 자세히 식별해서 분류해야 한다고 되어 있다. 나는 너무 당황해서 그라운딩에 대한 아이디어가 전혀 나지지 않았다. 예들 들어, 어떤 그라운딩 포인트는 신호용으로 고려될 수 있지만, 안전이나 파워에 대해서도 기능할 수 있다. 3개의 그라운딩 포인트에 대해서 각각 다른 위치에 설정해야만 하나? 예전에 어떤 시스템에서 대해서  파워, 안전, 신호, 노이즈, 시스템 등등을 분리해서 그라운딩 포인트에 대해서 분석해 보았다. 이 시스템에서 파워에 대한 그라운드가 빠졌을 때 정상적으로 동작하는 것이 확인되었다. 이 시스템에서 파워에 대한 그라운딩 포인트가 정말로 필요한 것인지 의구심이 들기 시작했다.

"밀폐된 방에 6(n) 명의 전기 전자 엔지니어가 있다. 5명(n-1)은 그라운딩 전문가다".  이들이 같은 PCB, 블랙박스, 또는 시스템에 대해서 일할 때 그라운딩에 접근하는 많은 다양함이 있는 것은 사실이다. 이것이 그라운딩이 개념적으로는 기만적으로 간단하면서 어플리케이션에서는 낙심할 정도로 복잡한 이유이고 논란과 논쟁이 끝나지 않는 이유이다.

엔지니어링에서 단일 점(single-point)과 다 점(multi-point) 그라운딩은 매우 보편적이다. 어떤 특별한 경우에 두 가지가 같이 요구된다. 이것은 회로가 정상적으로 동작하고 EMI가 어떤 규정된 레벨 안에서 제어되고 있음을 의미한다. 다른 경우에, 상황은 변할 수 있다. 단일 점 그라운딩이 다 점 그라운딩보다 나을 수 있거나 그 반대 일 수 있다. 단일 점, 다 점, 하이브리드 중에 어떤 선택이 최선인가? 이것은 엔지니어가 알고 싶어하는 질문이고 대답하기 매우 어려운 질문이다. 보통 달성해야 할 특정한 목표에 의존한다. 그라운딩을 더 잘 알리기 위해서, 더 많은 이론과 엔지니어링 문서를 읽어야 한다고 생각했다. 그리고 이론은 실제와 조합되어야만 한다. 다음에서 내가 배운 실제 이야기 이다.

몇 년 전에, 컴퓨터 한 대가 수입되어 건물의 2층에 위치한 우리 연구실에 설치 되었다. 컴퓨터 회사 엔지니어는 우리 연구실에 배설된 파워 네트워크에 대해서 신경 쓰지 않았다. 그들은 그들의 문서에 따라서 설치를 했다. 파워 네트워크로부터 EMI를 제어하고 컴퓨터의 안전을 유지하기 위해서 380V/50Hz 트랜스포머(그림.1의 C)를 설치했고 안전 그라운딩(그림.1의 D)을 위해서 건물의 남쪽에 접지 파일(plie)을 설치했다. 접지 저항은 2Ω 미만이어야 한다고 그들의 문서에 규정되어 있었다. 이 환경에서 컴퓨터는 몇 년 동안 잘 동작했다.

우리는 어떤 시스템에서 소프트웨어와 하드웨어의 시뮬레이션 테스트를 했다. 이 테스트를 할 때, 시스템의 신호는 케이블을 통해서 컴퓨터로 전달된다. 컴퓨터는 즉각적으로 이 신호에 응답을 했을 것이다. 시스템과 컴퓨터가 연결 되기 전에, 각각은 독립적으로 잘 돌아갔다. 불행하게도, 통신을 시작한 바로 그 순간 믿을 수 없는 현상이 나타났다. 컴퓨터와 시스템 모두 동작하지 않았다.

그림.1 연구실의 파워 공급

그것들은 분리되어 있을 때만 동작 했다. 무엇이 잘못된 것일까? 왜 호환되지 않는 것일까? 이 이상한 현상은 무리를 혼란스럽게 만들었고 이 현상을 없애기 위해서 많은 시도를 해 보았다.

컴퓨터와 시스템 근처에 엘리베이터가 있었기 때문에, 엘리베이터 안에 있는 릴레이 배열에서 오는 EMI 신호가 이 테스트에 영향을 주는 것이라고 의심했다. 엔리베이터를 셧 다운  시키고 테스트를 반복했다. 이상 현상을 없앨 수 없었다. 건물이 교통량이 많은 길 가에 있었기 때문에, 테스트를 자정에 시도해 보았다. 간섭을 없앨 수 없었다. 이런 실험 후에, 컴퓨터와 시스템 안에 있는 EMI 소스를 찾기 시작했다. 먼저, 전원 공급 와이어 간의 커플링을 의심했다. 그래서 와이어의 적절한 위치에 EMI 필터를 설치했다. 역시 작동하지 않았다. 이런 상황에 직면한 채 조심스런 조사가 수행되었다. 우리는 컴퓨터가 설치되기 전에 연구실과 시스템에 파워를 공급하는 다른 삼상 380V/50Hz 트랜스포머(그림.1의 A)가 있다는 것을 발견했다. 파워 공급 인입 레귤레이션에 따라서, 접지 파일이 건물의 북쪽에 설치 되었다(그림.1의 B). 그리고 이것은 트랜스포머 A의 외곽 쉴딩과 연결된다. 쉴딩에는 뉴트런(neutron) 와이어도 역시 연결된다. 문제는 접지 파일 B와 D 모두에 의해서 유발되었을 것이다. 그림.1을 일치하는 그림.2로 보여주면, B(트랜스포머 A의 접지 파일), Ga(연구실의 안전 그라운드 포인트), G(컴퓨터와 시스템 간의 그라운딩 기준), Gb(컴퓨터의 안전 그라운드 포인트), D(트랜스포머 C의 접지 파일)가 그라운딩 루프를 형성하는 것이 분명해 진다.

그림.2 그라운딩 루프

D(또는 Gb)와 B(또는 Ga) 사이의 거리가 대략 15미터 이고 Gb(또는 Ga)와 D(또는 B) 사이의 거리가 최소 3미터 이기 때문에, 그라운딩 루프는 대략 45평방미터이다. 이것은 심각한 EMI를 유발하기에 충분히 크다. 이 EMI 문제를 해결하기 위해서, 취해야 할 행동은 접지 파일을 Ga(또는 Gb)에서 끊는 것 뿐이다. 이런 마법적 처리 뒤에, B-Ga-G-Gb-D-B 그라운딩 루프가 제거되었기 때문에 컴퓨터는 시스템과 잘 매치되었다. 그라운딩 루프에 의해 형서오디는 EMI가 제거 되었다.

그라운딩 루프의 효과가 그림.3에 추상화 되어 있다.

그림.3 EMI 소스

루프 B-Ga-G-Gb-D-B를 통해서 변하는 장(field)는 유도된 전압 e를 만든다. 다음과 같이 예상할 수 있다.

E = - d * Φ/dt  = - sdB/dt

s:         루프 면적(m2)

dB/dt:   루프에 수직하는 자기 플럭스 강도

유도된 전압의 크기가 충분히 클 때 이 루르에 연결된 어떤 회로를 방해할 수 있다. 컴퓨터나 시스템이 동작하면, 루프를 통해 변화하는 전자기장이 반드시 있다. 유도된 신호 전위는 루프 경로를 따라서 만들어진다. 루프의 g 포인트에서 전위 eg는 다음처럼 예상될 수 있다.

eg = ig (rg + jωlg) - sdB/dt

ig:            루프에서 모멘트 전류

rg + jωlg:  땅을 기준으로하는 포인트 g에서의 리액턴스

유도된 전압이 얼마나 큰지 알기 위해서, 오실로스코프를 통해서 관측을 시도 했다. 오실로스코프의 그라운드 포인트는 최대한 그림.2의 Ga에 가깝게 연결하였다. 그리고 오실로스코프의 입력은 가능한 한 연결된 케이블 가깝게 달린다. 관측된 신호는 랜덤하고 오실로스코프와 동기되지 않을 것이다. 최대 크기는 3V 이상이었다. 그것은 믿기에 너무 큰 값이었다.

컴퓨터와 시스템을 포함한 이 시뮬레이션 연구실은 새로운 건물로 이사를 갔다. 그라운딩 루프로부터 EMI를 제어하기 위해서, 새로운 그라운딩 시스템을 조심스럽게 설계했다. 우리가 취한 첫 번째 단계는 연구실 밖에 있는 땅에 직경 20mm, 길이 3m의 구리 막대기 4개를 박는 것이었다. 그것은 접지 파일을 구성한다. 두 번째 단계는 4개의 막대기 모두를 폭 20mm, 두께 3mm의 구리 리본으로 솔더링 하여 연결하는 것이다. 3 포인트 방법으로 측정된 그라운딩 저항은 0.6Ω 이다. 세 번째 단계는 연구실 안에 그라운딩 버스를 설치하는 것이다. 그 다음 접지 파일과 그라운딩 버스를 폭 200mm, 두께 3mm의 구리 리본으로 연결한다(그림.4) 네 번째 단계는 전원 공급 네트워크에서 적당한 위치에 EMI 필터를 설치하는 것이다.

그림.4 새로운 그라운딩 시스템

1991년 이후로 이 연구실에서 많은  시뮬레이션 실험이 테스트 되었고 가끔은 하나 이상의 시스템이 같은 컴퓨터와 통신하였다. 지금까지 어떤 EMI도 관찰되지 않았다. 이 그라운딩 시스템은 호환이 되는 것을 보여준다.

그라운딩 루프는 어떤 PCB, 블랙박스, 서브시스템, 스시템에도 존재할 가능성이 있다. 시스템이 더 커질수록, 예를 들어 비행기나 배에서의 전기 시스템, 그라운딩 루프에 의해 유발 되는 EMI는 더욱 두드러질 것이다. 이런 종류의 EMI를 제어하기 위해서 가장 좋은 방법은 그라운드 루프를 제거하는 것이다. 제거하는 것이 불가능할 때, 유효한 방법은 그라운딩 루프의 면적을 가능한 한 작게 제한하는 것이다.

전자기 호환성이 승인된 옛날 시스템에 새로운 장비나 서브시스템을 추가하는 경우가 종종 있다. 이런 경우 EMI 제어는 모든 방면에서 고려되어야 한다. 어떤 부주의가 파워 공급, 케이블링, 그라운딩에 의해 그라운딩 루프를 형성할 수 있다.

원문: EMI Caused by A Grounding Loop. Guangfu Lui, AERODEV Electromagnetic Tech. Inc.

장치, 케이블, 장비, 시스템을 그라운딩 하는 2 가지 중요한 이유가 있다. 첫 번째 이유는 낙뢰 혹은 사고(배선 혹은 부품)에 의해 장비 프레임 혹은 하우징에 높은 전압이 발생하는 이벤트에서 쇼크나 위험을 예방하기 위한 것이다. 두 번째 이유는 전자기장, 커먼 임피던스, 혹은 다른 형태의 간섭 커플링으로 인한 EMI 효과를 줄이기 위함이다.

역사적으로 그라운딩은 전기적 고장, 낙뢰, 산업적으로 생성된 정전기 등으로부터 보호를 제공하기 위한 요구에서 나온 것이다. 왜냐하면 대부분의 파워 고장과 낙뢰 제어는 땅으로 가는 저 임피던스 경로에 의존하기 때문이다. 대부분의 전기 생산과 전송 시스템은 저 임피던스 경로로 땅으로 그라운드 된다. 결과적으로 EMI 같은 다른 문제와 상관 없이 전기 장비의 땅 그라운딩은 강하게 강조된다.

전자 장비가 소개되었을 때, 그라운딩 문제가 명백해지기 시작했다. 이런 문제는 회로와 장비 그라운드가 종종 원치 않는 EMI 커플링에 대한 메커니즘을 제공한다는 사실의 결과다. 또한 전자 시스템에서 그라운드는 동시에 2개 이상의 기능을 수행한다. 그리고 이런 다 기능이 동작 요구사항 혹은 테크닉의 구현과 충돌 할 수 있다. 예들 들어, 아래 그림에서 보이듯이 전자 장비에 대한 그라운드 네트워크는 신호의 리턴으로 사용될 수 있고, 안전을 제공해야 하고, EMI 제어를 제공해야 하고 또한 안테나 시스템의 한 부분으로 수행된다.

따라서, EMI 문제를 피하기 위해서, 장비 또는 시스템의 다른 부분처럼 효과적인 그라운딩 시스템이 조심스럽게 디자인되고 구현되어야 한다는 것을 인식하는 것이 핵심이다. 그라운딩은 시스템 문제이고 그라운딩 배치가 잘 동작하게 하기 위해 잘 개념 잡히고 정교하게 디자인되고 구현되어야 한다. 그라운딩 구성은 다른 기능 회로처럼 크기와 주파수에 따라서 가중 되어야만 한다.

정의

전자 엔지니어링 단어에서 가장 혼동 되는 단어 중에 하나가 그라운드 이다. 게다가 몇몇 단어는 그라운드와 함께 사용되어 종종 오해를 준다. 아래 정의된 용어는 동사라기 보다는 명사다.

그라운드(ground) - 공통(common) 리턴으로 사용되는 어떤 기준 도체

땅(earth) - 낙뢰나 고장 전류에 대한 저 임피던스 싱크(sink)를 제공하기 위해서 안전 도체(막대기, 그리드, 판)가 심어지는 땅(soil)

기준(reference) - 관련된 회로, 장비, 시스템에서 전위(potential)가 하나 인 어떤 물체. 전위는 주로 땅 혹은 전원 공급 장치와 비교하여 0V

리턴(return) - 하나의 와이어 쌍 중에서 낮은(기준) 전압 쪽(예들 들어 neutral).

본드(bond) - 두 금속 표면을 낮은 임피던스 경로로 합(join)치는 것

연결(connection) - 두 전기적 도체 사이의 기구적 연결(mechanical joint). 점퍼, 돼지꼬리, 쉴드 브레이드 포함

아래 그림은, 누군가 그라운드의 전기적 파라미터를 고려하지 않으면, 그라운드라는 용어가 오해되고 불분명해지는 이유를 보여준다.

플랫폼, 시설, 또는 랙과 관련된 그라운드에서 다른 두 지점 간에 충분한 전압이 존재할 수 있음이 분명하다. 이 전위 차이가 회로, 장비, 또는 시스템의 그라운드로부터 유발되는 EMI 문제의 주요 원인이다.

그라운딩 시스템의 특성

이상적으로 하나의 그라운드 시스템은 그것을 기준으로 하는 모든 신호에게 zero 임피던스 경로를 제공해야 한다. 만약 그렇다면 회로나 장비간에 원치 않는 커플링은 일어나지 않을 것이다. 많은 간섭 문제는 디자이너가 그라운드를 이상적으로 취급하고 실제 그라운딩 시스템의 특성에 주의를 기울이는 데 실패하기 때문에 일어난다. 그라운딩 시스템을 이상적으로 취급하는 것은 종종 유효하다 - 파워나 신호 주파수에서 임피던스가 작아서 회로나 장비에 영향이 거의 없을 수 있다. 그러나 EMI 문제를 피해야 한다면 비 이상적인 그라운드 속성을 알아야 한다.

임피던스 특성

그라운딩 시스템의 모든 요소(도체)는 그것이 파워 그라운딩이든 신호 그라운딩이든 낙뢰 그라운딩이든 저항, 커패시턴스, 인덕턴스 속성을 갖는다. 그라운드 경로 도체의 저항은 물질, 길이, 단면적의 함수이다. 커패시턴스는 그라운드 도체의 기하학적 형상과 두 도체 간의 거리 그리고 그 사이 절연 물질로 결정된다. 인덕턴스는 크기, 형상, 길이, 금속의 투자율 등의 함수이다. 그라운딩 시스템의 임피던스는 저항, 인덕턴스, 커패시턴스, 주파수의 함수다.

도체의 인덕턴스 속성은 폭과 함께 감소하고 길이와 함께 증가하기 때문에, 그라운딩 스트랩의 길이 대 폭의 비율을 5:1로 하는 것이 흔히 권장된다. 5:1 비율은 직선 원형 와이어 리액턴스의 대략 45%를 제공한다.

몇 개의 와이어 게이지와 길이에 대한 직선 원형 와이어의 임피던스가 주파수 함수로 아래 표에 제공된다.

비교를 위해서 전형적인 그라운드 판 임피던스(ohms/square)가 아래 표에 제공된다.

그라운드 판 임피던스가 원형 와이어 임피던스보다 몇 차(order)의 크기로 작다는 것을 알 수 있다.  그리고 판과 와이어 둘 다 주파수가 증가함에 따라서 고주파에서 임피던스가 상당해진다는 것을 알 수 있다.

공통적으로 만나는 상황 중에 하나는 그라운드 판 주변을 따라서 그라운드(파워 혹은 신호) 케이블이 달리는 것이다. 장비 그라운딩에 대한 이런 상황은 아래 그림과 같다.

이 간단한 그라운드 경로에 대한 회로는 아래와 같다.

회로에서 저항 요소의 효과는 매우 낮은 주파수에서 우세하다. 리액티브 요소의 상대적인 영향은 주파수가 증가할수록 증가할 것이다. 어떤 주파수에서 인덕티브 리액턴스(jωL)의 크기가 커패시티브 리액턴스(1/jωC)의 크기와 같아지고 회로는 공진하게 된다. 첫 번째 공진 주파수는 다음으로 결정된다.

여기서 L은 총 케이블 인덕턴스이고 C는 케이블과 그라운드 판 사이의 순(net) 커패시턴스이다. 공진에서 그라운딩 경로에 의한 임피던스는 병령 공진이냐 직렬 공진이냐에 따라서 높거나 낮아질 것이다. 병렬 공진에서 케이블의 한 끝에서 보는 임피던스는  R + jωL로 예상되는 것보다 훨씬 크다. 좋은 도체(구리나 알루미늄)에서 R << ωL이다. 따라서 수백 Hz 이상의 주파수에서 jωL로 그라운드 도체의 임피던스를 정확히 예측할 수 있다. 병렬 공진에서

여기서 Q는 quality factor로 다음과 같이 정의 된다.

Rac는 공진 주파수에서 케이블 저항이고 따라서 임피던스는 다음과 같다.

일차 공진 위로 연속된 공진(직렬과 병렬 모두)이 경로 상에 다양한 인덕턴스와 커패시턴스의 조합 사이에서 발생할 것이다.

그라운딩 회로에서 직렬 공진은 와이어 부분의 인덕턴스와 하나 이상의 션트 커패시턴스 사이에서 발생할 것이다. 직렬 공진 경로의 임피던스는 다음과 같다.

위에 Q 값을 대입하면

전체 경로가 아닌 와이어 부분에 의해 만들어지는 공진 주파수 즉 더 높은 차수의 공진에서, 경로의 직렬 임피던스는 전체 그라운드 도체 길이를 고려해서 예상한 것보다 작을 수 있다.

그라운딩 도체의 고주파 행동에 대한 이해는 그것을 전송선으로 봄으로써 간단해 질 수 있다. 만약 그라운드 경로가 균일하게 달린다고 생각하면 라인을 따라서 전압과 전류는 시간과 거리의 함수로 기술될 수 있다. 등가 회로에서 저항이 인덕턴스나 커패시턴스에 비해서 상대적으로 작다고 가정하면, 그라운딩 경로는 특성임피던스 Z0를 갖는다. Z0는 sqrt(L/C)이고, 여기서 L과 C는 단위 길이 당 L과 C이다. 장비 케이스에서 바라다보는 그라운드에 대한 임피던스는 다음과 같다.

여기서,

  β = ω * sqrt(LC) = 전송선 라인의 위상 상수

  χ = 박스에서 쇼트로 경로 길이

βχ 가 π/2 라디안 보다 작은 곳 즉 전기적 경로 길이가 1/4 파장보다 짧을 때, 쇼트 회로의 입력 임피던스는 0(βχ = 0)에서 ∞(βχ = π/2)범위에서 인덕티브 하다. βχ 가 π/2 라디안을 넘어서 증가하면, 그라운딩 경로의 임피던스는 오픈 회로와 쇼트 회로 값 사이에서 반복된다.

아래에 그라운딩 경로에서 공진 효과가 보여진다.

주파수 함수로서 그라운딩 도체의 상대적 효과는 그것의 임피던스 행동과 직접적으로 관련된다. 최대 효율을 위해서 그라운딩 도체의 길이는 걱정하는 신호의 주파수에서 파장의 길이에 비해 작은 부분이어야 한다. 가장 효과적인 성능은 첫 번째 공진보다 많이 아래 주파수에서 얻어진다.

안테나 특성

안테나 특성은 회로 공진 행동과 관련된다. 그라운드 도체는 파장에 대한 그것의 상대적 길이(효율)에 따라서 잠재적 간섭 에너지를 방사하거나 픽업하는 안테나처럼 행동할 수 있다. 모노폴 안테나와 비교하여 10% 이하로 주고 받는 안테나는 비효율적인 것으로 생각할 수 있다. 따라서, 그라운드 와이어가 비효율적인 안테나가 되기 위해서 그 길이는 파장의 1/10 이하 이어야 한다.

그라운드와 관련된 간섭

간섭은, 자연적으로 그리고 인위적인 소스로, 회로 내부에서 혹은 외부에서 만들어질 수 있다. 복잡한 전자 장비와 시설의 바른 동작은 시스템에서 사용하는 신호와 존재하는 잠재 간섭 둘의 주파수와 크기에 달려 있다. 원치 않는 신호의 주파수가 회로의 동작 주파수 범위에 있으면 회로는 원치 않는 신호에 반응할 수 있다.

그라운드와 관련된 간섭은 두 개의 기본적인 커플링 매커니즘 중 하나와 관련 있는 경우가 흔하다. 첫 번째 매커니즘은 전자 장비의 신호 회로가 다른 회로나 장비의 그라운드와 공유하는 것에 따른 결과이다. 이 매커니즘을 커먼 그라운드 임피던스 커플링 이라고 부른다. 아래 그림은 이것을 보여준다.

이 경우, 커먼 그라운드 임피던스 Z를 통해서 흐르는 간섭 전류 I는 간섭 신호 전압 Vc를 희생 회로에 만들 것이다. 커먼 임피던스에서 흐르는 간섭 전류는 culprit 회로의 정상 동작 또는 낙뢰, 파워 고장, 부하 변화, 파워 라인 전이 등으로 인한 비정상 동작 때문에 발생한 전류 중 하나일 수 있다.

장비 쌍이 신호 리턴으로 신호 그라운드를 사용하지 안을지라도 신호 그라운드는 여전히 그들 간에 커플링을 유발할 수 있다. 아래 그림은 신호 그라운드를 흐르는 스트레이(stray) 전류 IR의 효과를 보여준다.

전류 IR은 다른 장비 쌍의 신호 그라운드 직접 커플링 또는 주입된 필드에 의해 유도된 그라운드의 결과일 수 있다. 어떤 경우든 IR은 그라운드 임피던스 ZR에서 전압 VN을 만들어 낸다. 이 전압은 내부 연결 루프에서 전류를 만든다. 루프는 장비 B에서 ZL을 가로질러 전압을 만든다. 따라서, 간섭이 신호 그라운드를 통해서 제로 임피던스가 아닌 그라운드를 가로질러 연결된 모든 회로와 장비에 도전적으로 커플 될 수 있는 것이 분명하다.

그라운드와 관련된 두 번째 커플링 메커니즘은 송수신 안테나처럼 행동하는 그라운드 루프에서 방사 메커니즘이다.

EMI 커플링 메커니즘에 대해서 그라운드 속성(저항 혹은 임피던스)은 중요한 역할을 하지 않는다. 왜냐하면 유도된 EMI 전압 또는 방사된 EMI 장이 주로 장의 세기, 전압, 전류, 그라운드 루프의 지오메트리와 크기, EMI 신호의 주파수 등의 함수이다. 도전 혹은 방사 EMI 커플링 메커니즘 둘 다 그라운드 루프와 관련된다는 것을 염두 해야 한다. 그러나 그라운드 루프 EMI 문제는 그라운드로 물리적 연결이 없어도 존재할 수 있다는 것을 알아야 한다. 특별한 경우, RF 주파수에서 회로나 장비가 그라운드에서 떨어져 있을지라도 그라운드로의 분산된 커패시턴스는 그라운드 루프 조건을 만들 수 있다. 그라운드 루프와 관련된 두 가지 EMI 커플링 메커니즘 모두에서 EMI 전류는 신호 리드와 리턴에서 같은 방향(같은 위상)으로 흐를 수 있다. 이런 EMI 조건을 커먼 모드 EMI라고 부른다. 그라운드 루프 문제에 유효한 EMI 제어 테크닉은 그라운드 루프로 EMI 커플링을 줄이거나 커먼 모드 EMI를 억제하는 것이다.

회로, 장비, 시스템 그라운딩

EMI를 최소화하고 제어하는 데 그라운딩은 매우 중요하다. 그러나 그라운딩은 많은 시스템 레벨 EMI 문제에서 가장 덜 이해되고 가장 미해결된 것 중에 하나이다. 시스템 그라운딩 설계(scheme)는 다음 기능을 수행해야만 한다.

• 아날로그, 낮은 레벨, 낮은 주파수 회로는 노이즈가 없는 전용 리턴을 사용해야 한다. 낮은 주파수이기 때문에 일반적으로 와이어가 사용될 수 있다.

• 아날로그 고주파 회로(라디오, 비디오 등)는 판 또는 동축 케이블 형태로 낮은 임피던스, 노이즈 없는 리턴 회로 사용해야 한다.

• 로직 회로 특히 고속 로직의 리턴은 전 대역(가장 빠른 상승 시간)에 있어서 낮은 임피던스를 가져야 한다. 왜냐하면 파워와 신호 리턴이 같은 경로를 공유하기 때문이다.

• 파워풀한 부하(솔레노이드, 모터, 램프 등)의 리턴은 위에 열거한 어떤 것으로부터도 떨어져야 한다. 그것이 파워 공급 레귤레이터의 같은 단자에서 끝날지라도 그렇게 해야 한다.

• 케이블 쉴드, 트랜스포머 쉴드, 필터 등의 새시로 가는 리턴 경로는 기능적 리턴을 간섭해서는 안 된다.

• 전기적 기준이 새시 그라운드로부터 떨어져 있을 때, 둘을 연결하거나 분리하기 위해서 접근성 제공이 반드시 있어야 한다.

• 더 일반적으로, 장비 내에서 혹은 시스템의 파트 간에 통신하는 신호에 대해서 그라운드 설계는 반드시 최소 그라운드 쉬프트를 갖는 공통 기준을 제공해야 한다. 최소 그라운드 시프트는 커먼 모드 전압이 링크에 있는 가장 민감한 장치의 민감 임계 아래 머물게 해야 한다는 것을 의미한다.

위의 모든 제약 조건은 아래 그림에 보이는 그라운딩 시스템 계층구조로 기능적 리턴과 보호 그라운드가 집적 되면 조정될 수 있다.

현대적인 전자 시스템은 하나의 그라운드만 갖는 경우는 거의 없다. 커먼 모드 임피던스 커플링에 기인한 것 같은 간섭을 완화하기 위해서, 가능하면 사용하는 그라운드를 많이 분리 한다. 구조적 그라운드, 신호 그라운드, 쉴드 그라운드, 그리고 1차와 2차 파워 그라운드에 대해 각 서브 시스템에서 분리된 그라운드는 경제적으로 그리고 논리적으로 실용적이라면 바람직하다. 각 서브 시스템의 개별 그라운드는 최종적으로 시스템 그라운드 점으로 가장 짧게 연결된다. 시스템 그라운드 점에서 전체적인 시스템 전위 기준을 형성한다. 이런 방법을 single-point ground 라고 부른다.

싱글 포인트 그라운드 설계

커먼 모드 임피던스 커플링 문제를 피하기 위한 단일 점 혹은 스타 형 그라운드 설계를 한다(위 그림). 유일한 커먼 경로는 earth 그라운드이다. 따라서 모든 서브 시스템이나 장비는 같은 기준 전위가 된다.

위 설계를 구현하는 문제는 상호 연결 케이블을 사용할 때 특히 파장의 1/20 이상의 길이를 갖는 케이블 쉴드 사용할 때 일어난다. 서브 시스템 또는 장비 하우징  사이에, 또는  서브 시스템 과 다른 서브 시스템의 그라운드 사이에 기생 커패시턴스가 존재하기 때문에 문제가 일어난다. 이런 상황이 아래 그림에 보여진다.

여기서 케이블 쉴드는 어떤 서브 시스템과 연결이 되어서 하나의 특정 서브 시스템에서 그라운드 점으로 하나 이상의 그라운딩 경로가 존재하게 된다. 주의하지 않으면 커먼 모드 전류가 흐를 수 있다. 고주파에서, 기생 커패시티브 리액턴스는 낮은 임피던스 경로를 제공하고 서브 시스템과 그라운드 점의 본드 인덕턴스는 높은 임피던스를 가질 수 있다. 따라서 커먼  모드 전류가 흐를 수 있다. 또는 서브 시스템 간에 전위 차를 만들 수 있다.

멀티 포인트 그라운딩 설계

위 그림에 보이는 제어되지 않는 상황을 갖는 것보다 차라리 아래 보이는 것과 같은 멀티 포인트 그라운딩이 다른 그라운딩 대안이다.

위 예에서 각 장비나 서브 시스템은 공통 저 임피던스 그라운드 판에 가능한 한 직접적으로 본드 되어 동일함을 형성한다. 따라서 커먼 모드 전류와 다른 EMI 문제가 최소화 될 것이다. 그 다음 그라운드 판은 안전을 위해 접지한다.

그라운드 설계 선택

분명한 사실은 단일 점 그라운딩 설계는 낮은 주파수에서 더 잘 작동하고 다점 그라운딩은 높은 주파수에서 제일 잘 작동한다는 것이다. 예들 들어 시스템 전반이 많은 저 레벨 센서와 제어 회로를 가진 오디오 장비 네트워크일 경우, 오디오 주파수 이상에 응답하는 수신자가 없기 때문에 고주파 성능은 관련이 없다. 이런 상황에서 단일 점 그라운드는 효과적일 것이다. 반대로, 시스템 전반이 30~1000 MHz 튜너, 앰프, 디스플레이를 갖는 리시버 복합체라면, 저주파 성능이 관련 없어 다점 그라운딩이 적용되고 상호연결 동축 케이블이 사용될 것이다.

위의 오디오와 VHF/UHF 시스템 비교는 적절한 접근에 대한 선택을 분명히 해준다. 문제는 주워진 서브 시스템이나 장비에서 저주파와 고주파가 공존하는 곳에서 어떻게 할 것 인가다. 대답은 물리적으로 가장 멀리 위치한 장비 간에 낮은 레벨의 가장 높은 동작 주파수와 관련 된다. 크로스오버 주파수의 결정은 자기장 대 전기장 커플링 문제와 분리에 따른 그라운드 판 임피던스 문제에 대한 고려 이 두 가지와 관련 된다. 크로스오버 영역 어플리케이션에서 가장 좋은 접근은 종종 하이브리드 단일 과 다점 그라운딩 시스템이다.

인쇄 회로나 IC가 사용될 때, 네트워크 근접은 상당히 가깝다. 따라서 다점 그라운딩이 훨씬 경제적이고 실용적이다. 저주파 그라운드 전류 루프나 커먼모드 임피던스 커플링을 피하고 싶다면 멀티포인트 혹은 하이브리드 그라운딩이 사용될 수 있다.

많은 시스템 레벨 EMI 문제는 사용될 그라운딩 설계에 충분히 주의를 기울여서 피할 수 있다. 다음 테크닉 중 하나 이상을 적용해서 커먼 모드, 커먼 그라운드 임피던스 문제를 줄일 수 있다.

• 가능하면 단일 점 그라운드를 사용해서 커먼 모드 임피던스를 제거한다. 이 구성은 주로 300 kHz 이하의 파워와 신호 주파수에서 최적이다.

• 신호 타입, 레벨, 주파수에 기초해서 그라운드를 분리하고 격리한다(위 Grounding hierarchy 참조).

• 그라운드 버스, 그라운드 판, 그라운드 그리드 등을 사용해서 그라운드 임피던스를 최소화 한다.

• 안전 관점에서 실용적이라면 회로나 장비를 부동시킨다. 부동된 회로나 장비의 효과는 그것이 다른 도체로부터 물리적으로 얼마나 고립 되는지에 달려 있다. 큰 시설에서 부동 시스템을 달성하기는 어렵다.

• 고주파 혹은 저주파 고립을 제공하기 위해 그라운드 연결에서 인덕터 혹은 커패시터를 사용한다.

• 커먼 모드 전류를 제한하기 위해서 그라운드 루프에 필터나 페라이트를 사용한다. 그렇지 않으면 커먼 모드 전압 강하가 제공된다.

• 그라운드 루프 EMI를 억제하기 위해서 커먼 모드 초크를 사용하거나 커먼 모드 고립 트랜스포머를 사용한다. 이런 장치는 수백 kHz까지 60dB의 CMR(common mode rejection)을 제공한다.

• 커먼 모드 EMI 효과를 차단하기 위해서 광학 고립자나 섬유 광학을 사용한다. 광학 고립자는 HF 대역(3~30 MHz)까지 높은 정도의 CMR을 제공한다. 광학 고립자는 주로 디지털 어플리케이션으로 제한된다.

• 그라운드 루프에서 커먼 모드 EMI 효과를 최소화 하기 위해 밸런스를 맞춘 회로를 사용한다. 완벽히 밸런스 된 회로에서 회로의 두 부분으로 흐르는 전류는 부하를 가로질러 같고 반대인 전압을 만들어서, 부하를 가로지르는 전압을 0으로 만든다. 밸런스 된 회로는 낮은 주파수 조건에서 상당한(20dB 이상) CMR을 제공할 수 있다. 그러나 고주파(30 MHz 이상)에서 다른 효과가 왕성해져서 밸런스 된 회로의 효과가 감소한다.

다음 테크닉 중 하나 이상을 적용해서 그라운드 루프에서 방사되거나 픽업되는 커먼 모드 EMI 효과를 줄일 수 있다.

• 상호연결 와이어나 케이블을 그라운드와 가깝게 라우팅 해서 커먼 모드 그라운드 루프를 최소화 한다.
• 부동 회로나 장비로 커먼 모드 그라운드 루프 전류를 줄인다. 광학 고립자 사용, 커먼 모드 필터, 초크 또는 고립 트랜스포머 삽입
• 밸런스 된 회로나 밸런스 된 드라이버와 리시버를 사용한다.

그라운드 시스템 구성

시스템이나 시설 안에서 회로 집합에 대한 그라운드 시스템은 다른 여러 구성 중에 하나일 수 있다. 이런 구성 각각은 어떤 조건 하에서 최적화 되고 다른 조건 하에서는 EMI 문제에 기여할 수 있다.

부동 그라운드 구성은 그라운드가 다른 도전 물체로부터 전기적으로 고립된다. 따라서 그라운드 시스템(혹은 캐버닛)에 나타난 노이즈 전류가 신호 회로로 도전적으로 커플 되지 않을 것이다.  부동 그라운딩 시스템의 효과는 그것이 주변 도체로부터 실제로 고립되었는지에 달려 있다. 큰 시설에서 효과적인 부동 시스템을 유지하기는 어렵다. 소수의 회로 내지 장비가 각각의 배터리나 DC-DC 컨버터로 전원 공급될 때에 가장 실용적이다.

아래는 장비 복합체 구성에서 단일 점 그라운드를 보여준다. 이 구성에서 신호 회로는 단일 점을 기준으로 하고 이 단일 점은 시설 그라운드와 연결된다. 이상적인 단일 점 신호 그라운드 네트워크는 시설 그라운드의 한 점에서 분리된 그라운드 도체가 시설 전반에 위치한 많은 각 회로의 리턴 쪽으로 확장되는 것이다. 이런 타입의 그라운드 네트워크는 매우 많은 수의 도체를 필요로 하고 종합적으로 경제적 가능성이 없다.

이상적인 것 대신에, 다양한 단일 점 그라운딩에 대한 근사가 채용되고 있다. 아래 그림은 단일 점 그라운딩 개념에 대한 근사를 제공하기 위해 종종 사용되는 그라운드 버스 배치를 보여준다. 그라운드 버스 시스템은 트리 형태를 가정한다. 각 시스템 안에서 개별 서브 시스템은 단일 점 그라운드 된다. 그런 다음 각 시스템의 그라운드 점은 단일 절연된 도체로 트리 그라운드 버스에 연결 된다.