PCBInside

전류 흐름의 원칙

보드 레벨 디자이너들은 종종 분리된 아날로그와 디지털 그라운드를 갖는 IC에 대해서 어떻게 그라운드를 처리할지 고민한다. 이 둘은 완전히 분리되어서 서로 만나면 안 되는 것인가? 두 판(plane)을 분리한 후 단일 점에서 강제로 연결해야 하나? 디지털과 아날로그 그라운드를 필요로 하는 IC가 여러 개 있을 때, 단일 점 그라운드는 어떻게 해야 하나? 대부분의 어플리케이션에서 그라운드 판 분리 없이 이런 종류의 IC를 가지고 성공적으로 PCB 레이아웃을 할 수 있다. 여기서 그 방법을 알아본다. 그리고 그것은 더 복잡하고 어려운 어플리케이션으로 확장될 수 있다.

 

전류를 따라간다

연결된 전기 또는 전자 부품의 집합을 우리는 "회로"라고 부른다. 왜냐하면 전류는 항상 소스에서 부하로 흐르는데 리턴 경로를 통해서 다시 되돌아 온기 때문이다. 전류가 흐르는 곳을 염두 하라. 그곳은 직접적으로 의도한 곳과 결과적인 리턴 전류 둘 다를 포함한다. 회로에서, 전류와 전압은 어떤 부품이든지 아날로그 회로와 같은 물리적 원칙에 의해서 동작한다.

위 그림은 어떤 디자인 상에서 가장 간단한 연결을 보여 주고 있다. 하나의 칩에서 다른 칩으로 바로 연결 된다. 이상적인 세상에서 이상적인 회로라면, IC1의 출력 임피던스는 0일 것이고 IC2의 입력 임피던스는 무한대 일 것이다. 따라서 여기에는 전류의 흐름이 없다. 그러나 실제 세상에서 IC1에서 IC2로 전류가 흐를 것이다. 또는 그 반대로 전류가 흐를 것이다. 이 전류에 어떤 일이 일어났나? IC2 또는 IC1을 채웠나? 실제로, IC1과 IC2 사이에 다른 연결이 있어서  IC1에서 IC2로 흘러간 전류가 IC1으로 돌아와야 한다. 혹은 그 반대도 마찬가지다. 이 연결은 주로 그라운드이고 종종 회로도의 디지털 부분에서 가리켜지지 않는다(위 그림). 그것은 주로 그라운드 심볼로 내포 된다. 아래 그림은 전류 흐름에 대한 전체 회로를 보여 준다.

물론, IC 자체는 전류 소스가 아니다. 회로에 대한 전원 공급 장치가 소스이다. 간단하게 하기 위해서 하나의 파워 레일이 있고 전원 공급 장치는 배터리라고 가정한다. 완성을 위해 커패시터로 IC의 전원 공급을 바이패스 한다.

모든 DC 전류는 궁극적으로 전원 공급 장치에서 시작해서 거기서 끝난다. 아래 그림은 IC1이 전류 소싱 할 때 DC 전류 흐름을 보여주는 완벽한 회로이다.

고주파 신호에 대해서(고주파는 바이패스 커패시턴스와 파워 소스 임피던스에 의해서 결정된다), 전류는 바이패스 커패시터에서 시작해서 거기서 끝난다. 아래 그림은 고주파 신호 전류의 흐름을 보여준다.

출력이 항상 전류의 소스는 아니라는 것을 기억하는 것이 중요하다. 예들 들어, IC1의 출력이 Vdd로 pullup 저항을 통해 연결된 IC2의 입력에 연결된 경우를 생각해 보자. 아래 그림은 이런 상황의 고주파 전이 전류 흐름을 보여준다. C2에서 나온 전류는 IC2의 pullup을 통해서 IC1의 low 쪽 FET(on 되어 있음)를 지나  IC1의 리드를 거쳐서 C2의 그라운드 리드로 흐른다. IC1이 장치를 구동할 하는 동안, FET를 그라운드로 쇼트 시켜서 그 출력 핀에서  전류를 싱크 시킨다. 전류 소스는 IC2를 경유한 C2이다.

위 그림에서 IC1의 출력 핀이 오랜 시간 동안 low를 유지한다면, 구동되는 정 전류는  전원 공급 장치로부터 직접 오게 될 것이다(아래 그림).

기본에 관해서, 이 모델은 아주 간단하다. 저주파와 고주파로 사이에 잘 정의된 경계가 있는 것처럼 신호를 고주파와 저주파로 나눈다. 진실은 두 경로가 항상 관여한다는 것이다. 위 그림에서, IC1 low 출력의 초기 전이에서 전류는 IC2의 바이패스 커패시터에서 온다. 왜냐하면 IC1의 출력이 IC2의 입력 핀으로부터 거의 즉각적인 전류를 요구하기 때문이다. IC2는 그 전류를 그것의 전원 핀에서 당긴다. 빠른 전류 요구를 만족하기 위해서 IC2에서 바이패스 커패시터를 파워와 그라운드 핀에 매우 가깝게 배치 한다. 전원 공급 장치는 IC와 매우 가깝지 않기 때문에 이 전류를 공급할 수 없다.  전원 공급 장치와 IC2의 파워 핀 사이에는 다소간의 저항과, 더 중요하게는, 인덕턴스가 있다. 이것이 바이패스 커패시터를 IC에 배치하는 모든 이유이다. 전원 공급 장치가 공급 할 수 없는 전이 (고주파) 전류를 공급하기 위함이다. 전이가 안정화 되면서, 더욱 더 많은 전류가 전원 공급 장치로부터 오게 되고 바이패스 커패시터에서 오는 것은 줄어들게 된다. 이 개념을 더 간소화 해서 DC 전류는 전원 공급 장치에서 오고 AC 전류는 바이패스 커패시터에서 온다고 말할 수 있다. 물론 실제는 설명한 것보다는 다소 복잡하다는 것을 우리는 알고 있다. 더 동적인 상황을 고려하면, 위 4개 경로의 조합을 통해서 모든 전류가 흐른다는 것을 이해한다. 어떤 방향으로든 공통 경로는 소싱 부품(IC1 또는 IC2)의 파워 핀에서 시작해서 그 부품을 지나서 부품 간의 인터컨넥션을 지나서 두 번째 부품을 지나서 그 그라운드로 진행한다. 그러나 전류는 신호의 속도에 따라서 소싱 부품의 그라운드에서 파워 핀으로 그 회로를 완성시킨다. DC 전류는 모두 전원 공급 장치의 그라운드 리드로 돌아 갈 것이다. DC 전류는 전원 공급 장치의 파워 리드에서 나와서 소싱 부품의 파워 핀으로 들어간다. 고주파 신호 전류는 소싱 부품의 바이패스 커패시터의 그라운드 리드로 돌아간다. 바이패스 커패시터는 또한 소싱 부품의 파워 핀에 전류를 공급한다. 실제로 두 경로는 항상 관여 한다. 저주파 신호에서 DC 경로가 주요 하다. 디지털 신호가 느리기(예들 들어 1Hz 구형파) 전이할 지라도 상태 전이는 훨씬 높은 주파수 신호보다 빠르게 전이할 수 있다는 것을 명심한다. 좋은 디자인에 대해서 다루고 있으므로, 바이패스 커패시터와 IC 파워와 그라운드 핀은 매우 가깝게 한다. 이와 같은 적절한 바이패싱은 디자이너의 일을 훨씬 쉽게 만든다. PCB를 가로 지른 신호의 흐름을 생각할 때 바이패스 커패시터와 IC를 하나의 단위로 생각할 수 있다. 마지막으로, 고속 AC 신호의 파워 전류가 바이패스 커패시터에서 IC로 매우 짧은 거리를 이동하는 것이 바이패싱 이다. IC 자체를 경유하는 경로는 물론 매우 짧다. 전류 루프 거리의 주요 부분은 한 칩의 출력에서부터 다른 칩의 입력에 이르는 인터커넥션과 그라운드 리턴 경로이다. 위 그림에서 빨간색 경로를 다시 살펴보고 만약 IC가 훨씬 먼 거리로 분리된다면 어떻게 되는지 생각해 본다. 바이패스 커패시터는 각각 해당 IC 근처에 유지되고 모든 거리는 인터커넥션과 그라운드 리턴에 더해진다. 만약 문제가 발생한다면, 고주파 신호 전류에 대해서 이 부분이 문제가 발생되는 부분이 될 것이다.

 

디지털과 아날로그 서플라이와 그라운드

위 회로도 다이어그램에서 IC와 신호가 디지털인지 아날로그인지 식별하지 않았다. IC1은 출력 스테이지의 낮은 쪽 FET를 가진 op amp일 수 있다. IC2의 핀은 ADC의 입력일 수 있다. IC1은 push-pull(표준 IO)을 가진 마이크로컨트롤러 일 수 있고 IC2 입력은 DAC의 제어 핀일 수 있다. 위에 언급한 ADC와 DAC는 아날로그와 디지털 신호 모두에 대한 그라운딩 걱정을 유발하는 전형적인 부품이다. 아날로그 회로는 연속적으로 부드럽게 변하는 신호를 가지고 동작하는 경향이 있다. 디지털 회로는 전류 펄스를 생성하면서 하나의 상태에서 다른 상태로 갑자기 전이하는 경향이 있다. 디지털 회로는 하나의 상태에 매핑 되는 넓은 전압 윈도우를 갖는 경향이 있다.

 

최소 임피던스 경로

전류가 가장 작은 저항 경로를 따라서 흐른다는 것은 잘 이해되는 원칙으로, 이 개념은 그것을 모든 언어로 통하는 길로 만들었다. 불행히도 이것은 단지 DC 전류에만 진실이다. 원칙을 기술하는 더 완벽하고 정확한 방법은 전류가 최소 임피던스 경로를 따라 흐른다고 기술하는 것이다. DC에서, 단지 임피던스의 저항 부분만 문제가 된다. 연속된 그라운드 판의 경우 직선이 최소 경로이다. 사실 전류는 더 간접적인 경로로 흐를 것이다. 어떤 경로를 통해서 흐르는 전류의 양은 거리에 반비례할 것이다. 왜냐하면 단위 당 그라운드-판 저항은 매우 균일하기 때문이다. 따라서, 대부분의 전류는 직선 최소 저항 경로를 따라 흐를 것이다. 그리고 직선 경로에서 벗어날 수록 훨씬 적은 전류가 흐를 것이다. 간단하게 하기 위해서, DC 전류는 직선 경로로 흐른다고 하자. 그렇게 이해하면 매우 큰 전류가 직선을 따라서 이동한다고 합리적으로 가정할 수 있다. 여기서 문제가 되는 신호 즉 어떤 속도를 가진 AC 신호에 대해서, 임피던스의 리액션 부분을 고려해야만 한다. 신호 레이어에 인접해서 그라운드 판 레이어를 갖는 PCB는 잘 정의되는 임피던스를 가질 수 있다. 임피던스는 트래이스 지오메트리, 레이어 두께, 트레이스와 그라운드 판 사이의 거리, 보드 물질, 신호의 주파수 등에 의해서 결정된다. 수학적으로 디테일한 부분은 이 글의 범위를 벗어난다. 다행히도 이 개념을 사용해서 좋은 결과를 얻기 위해서 모든 수학을 연마할 필요는 없다. 아래 그림의 간단한 예를 보자. 트래이스가 간접적으로 라우트 되어 있다.

각 IC에서 트래이스 연결 점 근처에서 연결된(solid한) 그라운드 판이 각 IC에 연결된다고 가정하자. 리턴 전류는 하나의 IC의 그라운드 연결에서 다른 IC의 그라운드 연결로 가야 된다. 연결된 그라운드 판을 가지고 있기 때문에 최소 저항 경로 즉 DC 전류 경로는 직선 경로가 될 것이다(아래 그림 파란 화살표). 고주파에서 트래이스와 그 아래에 있는 그라운드 판 사이의 상호 인덕턴스가 최소 그라운드 임피던스 경로를 트래이스 바로 아래로 만든다(아래 그림 빨간색 화살표).

그런데, 무엇이 고주파 인가? 엄지 규칙은 다음과 같다. 수백 kHz 이상의 주파수는 신호 트래이스 아래에 경로를 허용하는 리턴 전류를 갖는다. 고주파로 고려하는 실제 주파수는 트래이스, 보드 지오메트리(트래이스 폭, 레이어간 간격), 보드 물질(유전 상수) 등에 의해 결정된다. 트래이스를 따르는 리턴 전류에 대해서, 대부분의 경우에 정확한 주파수가 무엇인지 걱정할 필요가 없다.

 

전자기 시뮬레이션

이 현상을 수학적으로 다루는 것은 극히 복잡하고 혼란스럽다. 다행히, 부르스 아참볼트 박사는 이 문제에 대해서 발간하고 고맙게도 아래 그림을 제공한다. 아래 그림은 한 페이지의 수식이 할 수 있는 것보다 더 잘 주제를 시각적으로 시연한다. 아래 그림은 그라운드 판 위에서 U 형태의 트래이스 형상 예를 보여준다.

아참볼트 박사는 다른 주파수의 신호에 대해서 전류가 흐르는 경로를 보기 위해서 전자기 시뮬레이션을 수행하였다. 각 경우에 인가된 전류는 트레이스로 제한 된다. 그러나 리턴 그라운드 전류는 그라운드 판 어디로든 흐를 수 있다. 아래 그림은 1 kHz 신호에 대해 전류가 어떻게 흐르는지 보여준다. 좁은 노란 선이 알려주듯이 그라운드 전류는 우선적으로 부하에서 소스로 직선으로 흐른다. 작은 양의 그라운드 전류가 신호 경로를 따라서 흐른다(밝은 파란색). 그리고 훨씬 적은 양이 이 두 경로 사이에서 흐른다(어두운 파란색).

아래 그림은 주로 신호 트래이스를 따라서 흐르는 50 kHz 신호를 보여준다(넓은 녹색). 부하에서 소스로 직접 가는 부분은 적다. 밝은 파란색(어두운 파란색이 아닌)이 있는 중앙 영역은 최소 전류 흐름을 나타낸다.

마지막으로, 아래 그림은 1 MHz 신호의 전류 경로를 보여준다. 가상적으로 모든 리턴 그라운드 전류는 신호 트래이스 경로를 따라서 흐른다.

예상했던 대로, 리턴 전류는 트래이스 자체 보다 더 넓게 판에서 퍼진다. 이 고주파에 대한 전류의 분포는 다음 식으로 주워진다.

여기서,

J(x)는 전류 밀도;

I는 총 전류;

w는 트래이스 폭;

h는 보드 레이어 두께(판 위에 트레이스 높이);

x는 전류를 측정할 트래이스 바로 아래서 얼마나 떨어졌나를 나타낸다.

위 식이 주파수와 무관함을 인식하는 것이 중요하다(주파수가 충분히 높다고 가정한다). 위 식을 계산하면 가우시안 모양의 분포를 얻게 된다. x = -h에서 x = h 사이의 전류를 합하면, 이 범위에서 총 전류의 50%를 발견할 수 있다. x = -3h에서 x = 3h 사이에서는 전류의 80%가 있다. 누구나 직관적으로 예상할 수 있듯이, 보드 레이어가 얇아질수록(트래이스와 판이 가까워질수록) 전류 분포는 빽빽해진다.

 

원문: Successful PCB grounding with mixed-signal chips - Part.1: Principles of current flow. Mark Forunato - Aug. 27, 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.

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.

신호 기준은 각 유닛 혹은 장비에서 만들어지고 이 개별 기준은 버스에 함께 연결된다. 그 다음 이것들이 시설 그라운드에서 하나의 점으로 연결된다. 그 점은 회로에 대한 고장 보호와 정전기 축적에 대한 제어를 제공한다.

단일 점 그라운드 구성의 중요한 장점은 도전적으로 커플 된 간섭에 대한 제어를 돕는 것이다. 단일 그라운드 네트워크에서 노이즈 전류에 대한 폐 경로는 회피 되고 시설 그라운드 시스템에 있는 간섭 전류 또는 전압이 신호 그라운드 네트워크를 통해서 신호 회로로 도전적 커플 되지 않는다.

큰 설치에 있어서 단일 점 그라운드 구성의 큰 단점은 긴 도체를 필요로 한다는 것이다. 긴 도체는 비싼 것 말고도 큰 자가 임피던스로 인해 더 높은 주파수에서 만족스런 기준을 구현하는데 방해된다. 더욱이 도체들 간의 스트레이 커패시턴스 때문에 신호 주파수가 증가함에 따라 단일 점 그라운딩의 존재가 본질적으로 중단된다. 일반적으로, 전형적인 장비, 시스템, 또는 시설에서 단일 점 그라운드는 대략 300 kHz 이하의 주파수에 최적화 되는 경향이 있다.

아래 그림에 보이는 다점 그라운드는 신호 그라운드 네트워크에 대해 자주 사용되는 세 번째 구성이다. 이 구성은 시설에 있는 다양한 전자 시스템이나 서브 시스템에 많은 도전적 경로를 만든다. 각 서브 시스템, 회로, 네트워크는 이 그라운드 네트워크에 연결되는 다중 연결이 그 안에 있다. 따라서 시설 속 다점 그라운드 네트워크의 어떤 두 점 간에 많은 병렬 경로가 있다.

다점 그라운딩은 복합 장비 안에서 회로 구성(construction)을 간단하게 한다. 예들 들어 장비는 동축 케이블을 채용해서 쉽게 인터페이스 할 수 있다. 왜냐하면 동축 케이블 바깥 쪽 도체를 쉽게 장비 캐버닛이나 인클로저에 붙일 수 있기 때문이다. 그러나 다점 그라운딩은 중요한 단점으로 고통 받는다. 시설 그라운드 시스템을 통해 흐르는 파워 전류나 높은 크기, 낮은 주파수의 전류가 신호 회로로 도전 커플 되어 저주파에 민감한 회로에서 참을 수 없는 간섭을 만들 수 있다. 또한 다중 그라운드 루프가 만들어지고 그것은 방사 방출 제어를 어렵게 만들거나 커먼 모드 그라운드 루프 효과를 민감하게 한다. 게다가 다점 그라운딩이 효과적 이려면, 분리된 점 간에 모든 그라운드 도체는 간섭 신호 파장의 0.1 보다 짧아야만 한다. 그렇지 않으면 커먼 모드 임피던스와 그라운드 방사 효과가 상당해 질 것이다. 일반적으로, 다점 그라운딩 구성은 30 MHz 이상의 주파수에서 최적화 되는 경향이 있다.

아래 그림은 분리된 슬라이딩 드로어 5개를 포함하는 19인치 캐버닛 랙을 보여준다. 이것은 하이브리드 그라운드 시스템의 한 형태이다.

각 드로어는 시스템의 한 부분을 담고 있다. 위에서 아래로, 마이크로파 신호의 수신을 위한 RF와 IF 프리앰프 회로, IF와 비디오 신호 증폭기, 디플레이 드라이버/디스플레이/제어 회로, 저 레벨 오디오 회로와 레코더/원격측정 센서 출력, 2차 그리고 정류된 전원 공급 장치 등으로 구성된다.

• RF와 IF 비디오 드로어는 유사하다. 여기서 유닛 레벨 박스 또는 스테이지는 드로어 새시 그라운드 판에 다점 그라운드 된다. 그 다음 새시는 대거 핀에 그라운드 된다. 반면 이 드로어에 대한 파워 그라운드는 오디오 드로어와 동일한 방법으로 그 버스로부터 단일 점으로 그라운드로 사용된다.

• 새시 또는 신호 그라운드 그리고 파워 그라운드 버스는 각각 드로어 레벨에 다점 그라운딩 설계를 구성한다. 개별 그라운드 버스는 바닥 그라운드 배포 블록에서 단일 점 그라운드 된다. 이것은 새시 간 혹은 신호 그라운드와 파워 그라운드 간에 커먼 모드 전류의 회전을 피하게 한다.
• 다른 드로어 레벨 간에 상호연결 케이블은 분리되어 달린다. 그리고 그것의 쉴드가 사용되면 드로어 레벨에서와 같은 그라운딩 방법으로 다룬다.
• 오디오와 디스플레이 드로어는 그것의 유닛 레벨 박스와 파워 리드 모두에 대해서 단일 점 그라운드를 사용한다. 케이블과 유닛 쉴드는 모두 공통 대거 핀 버스에서 함께 그라운드 된다. 유사하게 나가는 파워 리드와 꼬인 리턴은 분리되어 그들의 대거 핀 버스에 본드 된다.

 

EMI 제어 장치와 기술

어떤 EMI 제어 기술 또는 장치의 성능은 그라운딩에 의해 크게 영향을 받는다. 실제로, 케이블 쉴드, 고립 트랜스포머, EMI 필터, ESD, 낙뢰, EMF 보호 기술, 그리고 패러데이 쉴드 등은 바르게 그라운드 되어서 최대의 EMI 보호를 제공해야만 한다.

 

원문: Designing electronic circuits for EMC에서 Ch.5 Grounding for the control of EMI. By William G. Duff