PCBInside

아날로그 설계에서 신호와 그라운드의 관계는 설계의 기본(또는 근본)이며, 디지털 설계에서도 문제를 일으킬 수 있다. 그러나 개념으로서 "그라운드"는 샤시(원래는 발음은 채시라고 하는 것이 가까우나 모두가 샤시라고 부르니 샤시라고 한다) 그라운드, 신호 그라운드, 접지(earth) 그라운드 등 세 가지 다른 상황과 관련하여 혼동 될 수 있다. 세 가지 모두 이론적으로 0 전압에 연결 되지만 내용이 다르다. 샤시 그라운드는 장치(device)용 이고, 신호 그라운드는 장치 내 저전압 신호용 이고, 접지 그라운드는 전원 시스템용 이다. 

 0 전압은 이론적인 것이다. 임피던스가 0인 도체만 전압이 0 이다. 실제로 그라운드 면이나 레일은 무시할만한 수준에서 다양한 전압을 갖는다. 일반적이지 않지만 0 전압이 전혀 0에 가깝지 않은 경우가 있다. 이 경우는 대부분 회로나 장치가 높은 전류량으로 작동하거나 그라운드 도체의 임피던스가 높은 경우일 가능성이 크다. 옴의 법칙은 저항이 있는 물질을 통한 전류의 흐름은 0이 아닌 전압을 가짐을 말해준다. 와이어는 실제 환경에서 저항이 있으며 리턴 경로(그라운드)가 리턴 레일(그라운드 전압 레벨)에 영향을 준다. 배선의 저항이 한 장치의 리턴 경로에 직렬로 추가되고 다른 장치에는 아니면 그 장치에 대해서 다른 전압이 생성된다.

V = I R

 샤시 그라운드는 전기 장치의 금속 인클로저에 연결되는 그라운드 집합 지점이다. 샤시(또는 프레임) 그라운드는 쉴딩과 감전 방지를 위해 사용될 수 있다. 메인 접지(earth) 그라운드와 (이론적으로) 0V인 전원 레일은 함께 묶여 한 지점에서 샤시에 연결된다. 샤시 그라운드는 일반적으로 한 지점에서만 이루어진다. 이것은 가능하지만 바람직하지 않은 수단을 통한 리턴 전류 경로를 방지하고 샤시를 통해 전류가 순환하는 것을 막는다. 샤시를 통해 순환하는 전류는 "그라운드 루프"를 유발할 수 있다. 그러나 샤시가 한 지점에서만 접지되면 전류가 샤시를 통해 흐를 수 없다. EMF 노이즈를 유발하는 그라운드 루프는 계측이나 오디오처럼 노이즈에 민감한 응용 분야에서 특히  문제가 된다.

 두 개 이상의 장치를 연결할 때도 종종 그라운드 루프가 발생한다. 두 개의 그라운드가 정확하게 같은 전위가 아니기 때문에 전류가 흐른다. 매우 작은 전압이 발생해도 한 장치의 그라운드에서 다른 장치로 흐르게 되고 다시 처음 장치로 전력 분배 네트워크를 통해 제공되는 다른 그라운드를 통해 돌아 온다. 루프 그라운드의 임피던스는 수 옴의 일부로 아주 작은 부분일찌라도 노이즈 및 간섭을 일으키기에 충분하다. 그라운드 루프에 대한 일반적인 해결책은 별(star) 모양으로 분포된 그라운드에서 임의의 가장 낮은 전위 지점을 접지 연결 점으로 선택하는 것이다. 스타 분배에서 상호 연결된 모든 구성 요소는 그라운드에서 바깥쪽으로 방사 패턴으로 연결된다. 스타 분배를 신중히 실행하면 스타에 그라운드된 장비 간의 신호 배선이 거의 0 전위가 되어 그라운드 루프를 피할 수 있다.

 신호 그라운드는 신호가 측정되는 기준점 이다. 주워진 회로에 둘 이상의 그라운드가 있을 수 있다. 깨끗한 그라운드 또는 주입된 노이즈가 없는 그라운드 연결은 매우 작은 전압 레벨을 감지해야 하는 전기 장비에 필수적이다. 전기가 그라운드로 흐르는 경로가 여러 개 인 경우, 중복 그라운드 경로는 간섭 전류를 포착하여 전류를 전압 변동으로 변환한다. 그러면 시스템 그라운드 기준은 더 이상 안정적인 전위가 아니게 되고 노이즈가 신호의 일부가 된다. 

 신호 전압은 메인(예들 들어, AC 220V 단상) 전압보다 훨씬 작다. 상식적으로 신호 그라운드는 샤시 또는 전원(메인) 그라운드와 분리되어 있다. 신호가 주입된 노이즈보다 훨씬 큰 경우 그라운드 주입 간섭을 무시할 수 있다. 

 접지 그라운드는 안전상의 이유로 지표면으로 유도된 접지봉을 사용하는 관행을 계속 사용한다. 접지 그라운드의 일반적인 예는 가정용 전기 시스템이다. 전류는 주 회로 패널을 떠나 Hot 와이어를 통해 리셉터클(흔히 말하는 콘센트)로 흘러 가전 제품에서 소비된다(실행 가능한 경로를 통해 우회할 수도 있다). 그리고 neutral 와이어를 통해 다시 패널로 리턴 경로가 제공된다. 그라운딩은 세번째 와이어를 제공해서 회로를 완성할 수 없는 전류에 대한 경로를 제공한다.

 예를들어 노출된 도체 와이어는 그라운드 와이어가 아닌 경우 그라운드 경로에서 사람의 신체를 통해 전류가 흐를 수 있는 상황을 만들 수 있다. 그라운드 와이어는 전류를 안전하게 접지 그라운드로 소모하게 하고 과도한 전류로 인해 퓨즈를 트립한다. 고전압과 관련된 경우 접지 그라운드를 갖는 것은 특히 중요하다. 전기 장비에서 라이브 전압이 전도 새시와 접촉하는 고장이 발생한 경우, 시스템 내부 격리로 인해 장비가 계속 작동할 수 있지만 새시에 처음 접촉하는 사람은 그라운드로 가는 경로가 되어 심각한 부상이나 사망에 이를 수 있다. 퓨즈가 라이브 전압원 경로에 있더라도 퓨즈가 회로를 차단하고 개방하는 데 여전히 마이크로 또는 밀리 초가 걸린다. 따라서 접지 그라운드 및 고장 차단기는 대부분 고전압이 작동하는 곳에서 사용된다.

 그라운드 개념은 전기 개념과 실제에서 기본이라는 것이 분명하다. 매우 높은 전압 대비 작은 신호를 처리할 때 그 결과는 매우 다양하다. 그라운드 루프는 그라운딩이 경로를 만드는 어떠한 상황에서도 역할을 할 수 있다.

이상적 상태

실제

해결 방법과 부작용

When

    circuit ground와 earth ground 연결   or   다른 회로 간 circuit ground 연결

Must do

    모든 ground를 한 점에서 연결

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.