PCBInside

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