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.

다축 모션 제어 서보 시스템은 EMI로 영향 받을 수 있는 디지털과 마이크로프로세서 회로를 포함한다. 또한 10~300 MHz에서 상당한 EMI를 만들 수 있는 고 에너지 스위칭 앰프를 포함하고 있다. 스위칭 노이즈는 분명히 모션 컨트롤러와 다른 전자 장비의 바른 동작을 간섭할 잠재성이 있다. 대부분의 모션 제어기 제조사들은 그들의 제품이 EMI에 민감하지 않게 매우 조심한다. 그러나 완벽한 면역은 불가능하다. EMI 문제를 회피하는 약간의 책임은 불가피하게 제어 시스템 통합자에게 있다. 이 가이드는 효과적인 EMI 억제 모션 제어 시스템을 설계하기 위한 패널 레이아웃(layout), 와이어링(wiring), 그라운딩(grounding), 쉴딩(shielding) 테크닉에 대해서 설명한다. 모든 엔지니어링 설계에서 완벽한 설계와 실용성 사이에서 타협은 불가피하다. 여기서 제안 하는 모든 것을 채용할 수 없을지 모른다. 그러나 EMI를 줄이기 위해 조심하는 것은 시작 비용과 미래의 운영 문제를 줄일 것이다.

설계 목표와 테크닉

첫 번째 디자인 목표 중 하나는 모든 신호 공통 리턴 지점을 같은 전위로 유지하는 것이다. 스위칭 앰프에 의해 생성되는 고주파 하모닉(최대 300MHz)에서, 이것이 항상 쉬운 것은 아니다. 이런 주파수에서, 전형적인 12 게이지(직경 약 2mm, 최대 전류 약 40A) 그라운드 와이어는 그라운드로의 낮은 저항성 경로가 아니라 인덕터와 커패시터의 직렬처럼 보인다. 통상적인 와이어보다 실버 주석 도금된 평평한 브레이드(braid)와 철 서브 패널 자체를 사용하는 것이 더 좋은 리턴 경로를 제공한다. 똑같이 중요한 두 번째 목표는 회로 간에 자기(magnetic) 커플링을 최소화 하는 것이다. 이것은 일반적으로 최소 간격과 와이어 라우팅으로 달성된다. 라디오 주파수 커플링은 적절한 쉴딩과 그라운딩 기술로 우선 다뤄지는 문제이다. 전이 스파이크로부터 보호하고 스파이크를 제거하는 것은 파워 라인 필터와 릴레이 코일의 적절한 서프레서(suppressor) 그리고 다른 인덕티브 한 부하로 달성한다.

모터 케이블 설치

쉴드 드레인 와이어와 안전 그라운드 와이어 둘 다 모터 파워 단자 옆에 위치한 서보 드라이브 그라운드 단자에 테미네이트 시킨다. 모터 케이블의 서보 드라이브 쪽 끝 쉴드 되지 않은 돼지꼬리와 쉴드 드레인 와이어는 20 cm를 넘지 않게 한다. 모터 케이블은 분리된 선로로 배선하거나 바른 배치를 위해 안전하게 묶여 고정될 수 있다.

가능한 모든 경우에, 서보 드라이브와 모터 사이에 단자 블록을 추가지 마라. 그렇게 함으로써 반드시 피해야 할 서보 드라이브로 돌아가는 고 에너지 노이즈 경로를 효과적으로 줄일 수 있다.

엔코더/리졸버 케이블

엔코더 또는 리졸버 피드백 케이블과 모터 케이블 혹은 AC 파워 케이블 사이에 최소한 30cm의 분리가 유지되도록 한다. 엔코더 케이블보다 리졸버 케이블에 더 치명적인데 왜냐하면 신호가 아날로그 속성을 갖기 때문이다. 리졸버와 엔코더 피드백 케이블을 분리된 배선관이나 선로에 배치할 것을 강력히 권고한다. 50 m 이상의 엔코더 케이블에서 전압 강하는 엔코더에서 전압을 최소값 이하로 줄인다. 50 m 보다 긴 케이블을 사용해야만 한다면 엔코더에 전압을 공급하기 위해서 모터/엔코더 가까이에 5 VDC 전원을 공급할 필요가 있다. 엔코더나 리졸버 케이블이 모터나 AC 파워 케이블을 가로질러야 한다면, 서로 직각이 되도록 한다. 가능한 모든 경우에, 엔코더/리졸버와 서보 드라이브나 컨트롤러 사이에 단자 블록을 추가지 마라. 그렇게 함으로써 반드시 피해야 할 서보 드라이브나 컨트롤러로 돌아가는 고 에너지 노이즈 경로를 효과적으로 줄일 수 있다.

DC 파워 서플라이 와이어링

모든 파워 서플라이 리턴(기준 공통)은 낮은 임피던스 그라운드 스트랩을 사용해서 패널에 묶어야 한다. 이런 목적으로 최소 6mm 폭을 갖는 실버 주석 도금된 평평한 구리 브레이드가 이상적이다. 일반적인 와이어보다 브레이드를 사용하는 것이 선형 서플라이보다 스위칭 파워 서플라이를 사용할 때 더 중요하다. 이런 그라운딩 스트랩은 10 cm보다 짧아야 한다. 그라운드 스트랩은 어플리케이션 전기 코드의 요구에 따라 어떤 안전 그라운드 와이어에 추가로 사용되어져야 한다. PLC에 묶인 하나 이상의 컨트롤러 시스템에서 각 컨트롤러는 DC I/O 회로를 위해 각각 자신의 24VDC 파워 서플라이를 가져야 한다. 아날로그와 디지털회로를 포함한 파워 반도체 로직 보드에서 사용되는 저 전압 DC 파워 서플라이에서, 리드 와이어 길이를 최소로 유지하라. 20 cm 이하가 선호된다. 멀리 떨어진 회로 간에 하나의 파워 서플라이를 공유하기 보다는 가능하면 하나 이상의 파워를 사용해라. 서보 드라이브에 사용되는 고 전압 DC 파워 서플라이는 설치 매뉴얼의 지시에 따라서 서보 드라이브 가까이에 배치되어야 한다. 서보 드라이브가 외부 재생(regeneration) 저항을 갖고 있으면, 재생 와이어링은 모터 케이블과 같이 취급되어야 한다. 그것은 낮은 임피던스로 브레이드 된 쉴드를 가져야 하며 쉴드는 드라이브 끝에서만 패널에 테미네이트 되어야 한다.

DC 입력과 출력 와이어링

DC 전자기 릴레이 코일을 포함한 인덕티브 부하로의 연결은 부하 또는 코일이 스위치 오프하고 자기장이 없어질 때 유발되는 높은 에너지 스파이크를 흡수하기 위해서 고속 플라이백 다이오드로 터미네이션 되어야 한다. 이런 다이오드는 코일에 걸리는 전압과 반대 극성으로 코일을 가로질러 연결되어야 한다. 흡수되어야 할 에너지의 양은 상당할 수 있고 다이오드가 적절하게 정격화되는 것은 중요하다. 고정 상태 출력으로 구동되는 고정 상태 입력은 입력을 가로질러 블리더(bleeder) 저항을 가져서 출력이 꺼졌을 때 출력의 누설 전류에 대한 경로를 제공해야만 한다. 이것은 출력이 꺼졌을 때 입력이 잘못 켜지는 것을 예방하게 해준다. 저항의 크기는 출력 장치의 누설 전류와 입력 장치의 OFF 전압에 달려 있다.

AC 입력과 출력 와이어링

릴레이(solid state 또는 electromechanical)에 사용되는 AC 회로는 분리된 제어 트랜스포머로부터 파워 되어야만 한다. 이것은 특히 관련된 와이어링이 제어 캐버닛의 밖에서 달릴 때 그렇다. 전자기 코일을 포함한 모든 인덕티브 부하는 부하 또는 코일을 가로질러 스너버(전형적으로 0.1uF 커패시터와 직렬인 4.7kohm 저항)가 있어야 한다.  이 장치는 부하 또는 코일이 꺼져서 그 자기장을 잃을 때 리턴 되어 와이어링에 유발되는 높은 에너지를 흡수한다. 흡수되어야 할 에너지의 양은 상당할 수 있고 장치가 적절하게 정격화되는 것은 중요하다. MOVs(Metal Oxide Varisters)는 RC 스너버 대신에 종종 사용되지만 우선적으로 전이 때문에 생기는 손상으로부터 장비를 보호하기 위한 안정 장치로 노이즈 억제 측면에서 스너버 보다 덜 효과적이다. 또한 MOVs는 시간에 따라 열화(degrade) 된다.

AC 파워 와이어링

패널로 들어오는 파워는 그 안에 더러운 성분을 가지고 있다. 이것은 특히 가변 속도 드라이브와 가열 로(furnaces)같은 SCR 제어 장치를 많이 갖고 있는 시설에서 더 심하다. 라인 필터(삼상 혹은 단상)는 들어오는 파워라인의 안전 회로 바로 다음 그리고 어떤 치명적 제어 유닛 전에 배치되어야 한다. 제어기 안에 필터와 서프레서가 내장 되어 있는 것이 좋다. 그러나 이런 내장 장치가 고속 센서 입력과 아날로그 회로 같은 시스템의 다른 파트로부터의 노이즈까지 예방할 수 는 없다. 필터는 실용적으로 가능한 한 들어오는 파워 공급에 최대한 가까이 배치한다.

필터 된 깨끗한 와이어링을 필터 되지 않은 더러운 와이어링과 병렬로 달리는 것을 피한다. 깨끗한 와이어링이 더러운 것을 가로질러야 한다면 서로 직각을 유지한다. 제어기가 리셋 되지 않도록 규정된 최소 전압 이하로 AC 파워가 떨어지는 경향이 있으면 CVT(Constant Voltage Transformer)를 설치할 수 있다. 파워의 손실이 치명적이거나 파워 손실 이벤트에서 순서적으로 셧 다운 하는 것이 필요한 곳에서, UPS(uninterruptable power supply) 사용을 고려한다. 트랜스포머 2차의 뉴트럴(neutral)을 패널에 그라운드 하라. 이 때 회로의 전류와 전압에 기반한 적절한 폭을 가진 실버 주석 도금된 평평한 구리 브레이브 스트랩을 사용해서 낮은 임피던스 그라운드 경로를 만든다. 그라운드 스트랩은 안전 그라운드 와이어로도 사용되어야 한다. hot과 neutral 와이어를 함께 꼬아서 EMI 효과를 최소화 한다.

통신 케이블

통신에 사용되는 케이블은 고주파 신호를 전송하고 받도록 디자인 되어 있다. 서보 드라이브 같은 고 에너지 노이즈 소스와  한 인클로저 안에 배치되면, 통신 케이블에 커플 되는 노이즈는 실제 통신 신호와 유사한 주파수일 수 있다. 응용 통신 표준에 포함된 자세한 권장사항을 정확히 만족시키는 케이블, 터미네이션 장치, 스플릿터 등을 사용하는 것이 중요하다.  저렴한 하드웨어나 소비자용 전자 장비로 대체하는 것은 문제를 가져올 수 있다. 대부분의 통신 표준은 권장 네트워크 토포그래피(topography), 최소 드랍(drop) 길이, 터미네이션 위치 등을 정의한다. 이런 권장을 정확히 준수해야만 한다. 통신 케이블은 저 전압 DC 선로에 배치 되어야 한다. 통신은 AC 파워와 모터 케이블로부터 격리한다. 만약 가로질러야 한다면 서로 직각이 되도록 한다.

종합적 배치, 부착, 배선 실행

부품을 패널과 인클로저 문에 어떻게 배치하느냐는 고 에너지 간섭의 효과를 줄이거나 악화시키는데 중요한 역할을 할 수 있다.  와이어 길이를 줄이면서 격리를 최대화 하기 위한 목적으로, 유사한 부품들끼리 그룹으로 만들어서 이 그룹을 파워의 흐름 그리고(또는) 변환의 패턴에 따라서 배치하는 것이 좋다. 다른 회로 타입(AC/DC, 고전압/저전압, 디지털/아날로그)이 최소 30 cm 떨어트리지 않고 서로 평행하게 와이어가 달리는 것을 피한다. 서로 다른 타입의 와이어가 가로질러야 한다면 서로 직각이 되게 한다. 고전력 AC, 저전력 AC, 고전력 DC, 저전력 DC에 대해서 선로를 구분해서 제공한다. 캐버닛 문에 부품을 배치할 때, 문을 닫음으로 부품이 패널의 일부와 가까워서 문제를 유발하지 않도록 한다. 예들 들어, 비디오 단자기 트랜스포머나 서보 드라이브와 가까울 수 있다. 유닛을 부착할 때, 유닛과 부착 표면 모두에서 페인트를 벗겨내서 금속과 금속 간에 접촉이 되도록 한다. 외부 톱니 모양 와셔를 사용하면 접촉을 향상시킬 수 있다. 의심스러우면 새시와 부착 표면 간에 좋은 연결을 보증하기 위해서 실버 주석 도금된 평평한 브레이드로 만든 그라운드 스르탭을 사용한다. 케버닛 문을 인클로저에, 첫번째 서브 패널을 인클로저에, 각 서브 패널을 다음 것에 연결하기 위해 25 mm 실버 주석 도금된 평평한 구리 브레이드로 만들어진 그라운드 스트랩을 사용한다. 전기 코드가 전형적인 녹색 안전 그라운드 와이어를 요구하면, 이 가이드에서 제시하는 그라운드 스트랩에 더해서 그것을 사용한다.

캐버닛에서 기계로 그라운딩

캐버닛에서 기계로 그라운딩을 제공하기 위해서 모터 케이블에 포함된 그라운드 와이어에 의존하지 마라. 캐버닛과 기계 그라운드는 항상 같은 전위이어야 한다는 것을 확실히 하라. 모든 주요 기계 부분과 캐버닛 사이의 그라운드 연결에  #6 혹은 그것보다 더 큰 그라운드 와이어를 제공한다. 이런 목적으로 많은 작은 단면을 가진 도체들로 구성된 웰딩(welding) 케이블이 이상적이다. 그것이 고주파에서 일반 와이어보다 훨씬 더 효과적이다.

원문: Shielding and Grounding Electrical Panels. ORMEC

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

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.