PCBInside

나는 최근에 시애틀 지역에 있는 IEEE EMC 소사이어티 미팅에 들린 적이 있다. 그곳은 내가 평소에 자주 들리는 곳은 아니지만 나 같은 디지털 피플들이 EMC에 대해서 일반적으로 배우는 것으로서 또한 많은 무료 조언을 수집할 수 있는 값싼 방법으로서 그곳을 추천한다.
아무튼, 가솔린 펌프에서 정전기 쉴드에 필요 것에 대한 빌 리테너의 매력적인 강의 후에, 우리는 주의를 순수 디지털 배경을 가진 사람들에게 어떻게 EMC 개념을 잘 가르칠수 있는가로 돌렸다. 이 논의와 많은 생각 후에, 나는 마침내 왜 많은 디지털 엔지니어들이 EMC 문제를 다루는데 어려운 시간을 보내는지 기본적인 이유를 알게 되었다. 아날로그 세계의 어떤 의견과 반대로 그들이 바보이기 때문이 아니다(그것과는 멀다). 그것은 차라리 그들이 학교에서 했었어야만 할 것을 충분히 공부하지 않았기 때문이다. 개인 엔지니어가 해야할 것은 실제로 매우 적다. EMC와 관련된 현재 어려움의 잠재된 원인은 태도의 문제이다. 디지털 엔지니어들은 EMC를 믿지 않는다. 이런 불행한 상황은 후술하는 환경들이 합쳐져 초래 되었다. 우리의 교육 기관, 우리의 장비 공급 업체, 집적 회로, 그리고 시뮬레이션 툴, 엔지니어링 메니지먼트에서 일부의 부진 등 모두 책임의 일부를 공유한다.
어떤 해를 입힐 의도 없이, 우리의 교육 기관, 공급 업체, 매니저 등은 새로운 디지털 디자이너가 어떤 레벨에서든 EMC를 이해하는데 그리고 실제로 그것의 존재를 믿는 것을 막는 5 개의 큰 오해를 전파했다. 학교를 나오는 새로운 디지털 엔지니에게 EMC는 잘해야 신화이다.
이 5 개의 오해를 잘 이해 할수록 많은 디지털 엔지니어의 관점을 더 잘 이해하고 그들이 불가피하게 직면할 EMC의 어려움을 극복할 수 있게 도와줄 수 있다.

1.  디지털 엔지니어는 루프 전류 흐름을 믿지 않는다.
디지털 스키메틱을 보라. 게이트에서 게이트로 디지털 신호를 전송하는 로직 네트를 생각하라. 우리는 이 신호들이 전자 전류의 형태로 전파된다는 것과 이런 전류는 항상 루프에서 흐른다는 것을 알고 있다. 그러나, 스키메틱에서, 리턴 신호 전류에 대한 경로는 보이지 않는다.
많은 디지털 엔지니어는 리턴 경로가 관계 없다고 믿는다. 결국 그들은 로직 드라이버가 전압 소스로 행동하고 입력이 전압 리시버로 행동한다면 왜 전류에 대해 걱정하는가 하고 이유를 댄다. 이 큰 오해는 우선적으로 전압 모드 프로브를 마케팅하는 오실로스코프와 로직 어날라이저의 제조사에 의해 강화된다. 개별 BGA 볼로 흐르는 전류를 볼 수 있는 충분히 작고 좋은 전류 센싱 프로브가 있다면, 많은 엔지니어에게 전류 세계의 흐름은 갑자기 단순한 이론적 개념이 아니라 "실제"가 될 것이다.
예들 들어, 당신이 커먼 모드 케이블 방사 문제를 가진 디지털 엔지니어와 함께 일해야 한다면, 먼저 그 엔지니어가 전류가 실제로 루프로 흐르는 것을 실제 이해했는지부터 확실이해야 한다.

2. 디지털 엔지니어는 자기장을 믿지 않는다.
나는 이 오해가 전기장과 그에 대비되는 자기장에 대한 불균형한 포커스를 가진 우리의 교육 시스템 때문에 생겼다고 생각한다. 이것은 매우 높은 임피던스 회로 특성을 가진 진공관 시대의 유물이다. 예들 들어, 진공관의 전극 회로는 100,000 ohms 정도의 임피던스를 갖는데 이것은 자유 공간의 임피던스 377 ohms 보다 훨씬 높다. 따라서, 전극 회로를 감싸는 대부분의 near-field 에니지는 전기장 또는 커패시티브 효과를 포함한다.
오늘날의 고속 디지털 시스템은 대략 50 ohms의 낮은 임피던스 회로를 갖는다. 자유 공간 임피던스 377 ohms보다 훨씬 낮다. 디지털 회로를 감싸는 대부분의 near-field 에너지는 전기가 아닌 자기장이다.  따라서, 대부분의 크로스톡, 그라운드 바운스, 고속 디지털 시스템에서 간섭 문제 등은 전류의 루프, 자기장, 그리고 인덕턴스를 포함한다.
EMC 세상에서, 디지털 보드를 감싸는 near-field 에너지는 대부분 자기라는 것은 상식이다. 디지털 피플은 그것에 대해서 모른다.

3. 디지털 엔지니어는 게이트가 differential amplifier라는 것을 믿지 않는다.
전형적인 제품 데이터시트에서 입력 전압 감도는 절대 전압의 단위로 표시된다. 입력 핀의 전압과 그것의 지정된 기준 핀에 나타는 전압 - 그것이 어떤 값이든 - 사이의 차이에만 게이트가 반응하는지에 대해서 분명하게 기술되지 않는다. 또한 어떤 것이 지정 기준 핀인지에 대해서 분명히 하는 사람은 없다. (TTL에 대해서는 가장 negative한 파워 레일이고, ECL에 해대서는 가장 positive한 것이다)
이런 불분명한 것이 많은 엔지니어가 게이트는 "절대 제로" 전압을 센스한다고 생각하게 이끈다. 이것은 마치 칩으로부터 어떤 매직 와이어가 나와서 "진짜" 그라운드 레페런스 포턴셀을 픽업하는 지구의 중심으로 연결하는 것처럼 생각하게 한다. 결과적으로, 시스템 안의 두 포인트에서 그라운드 전압이 같지 않을 때 발생하는 어려움을 엔지니어가 이해하는데 실패한다.
이것은 디지털 스펙(혹은 측정)이 우리에게 살짝 부족한 경우이다. 물론 어떤 공급 업체도 그들의 칩이 그라운드 쉬프트 되도록 허락하고 싶지 않을 것이다. 그래서 우리는 그들이 이것에 대한 이야기를 더 하는 것에 대해서는 기대할 수 없다. 반면에, 우리는 칩 간에 큰 그라운드 쉬프트를 허용하는 그런 시스템 아키텍처는 오동작하기 쉽고 더해서 많은 양의 EMI를 만들고 ESD와 다른 면역 문제에 쉽게 빠질수 있음을 이해할 필요가 있다. 이것은 심각한 일이다.
당신은 대부분의 경험없는 디지털 디자이너가 그들의 시스템에서 다른 그라운드 포텐셜의 존재, 성능에 영향을 주거나 그라운드 쉬프트를 만드는 매커니즘에 대해서 생각하는데 거의 시간을 쓰지 않는 것을 발견할 것이다.

4. 디지털 엔지니어는 전자기파를 믿지 않는다.
전기오븐이나 텔레비젼 같은 분명한 전자기장의 예에도 불구하고, 많은 디지털 엔지니어는 이런 효과가 디지털 시스템 안에서 발행한다는 것을 믿지 않는다. 이런 믿음의 뿌리는 wave가 spice에 없기 것에 있다. 우리는 회로 디자이너 전 세대가 spice 기반 소프트웨어 시뮬레이션이 실제 조건 하에서 실제 회로 동작의 표현이라고 믿도록 교육해왔다. 우리는 그들이 그것의 한계를 이해하도록 교육하는데 부실했다. 디지털 디자이너 마인드에서, spice는 전자기장을 하지 않는다. 따라서 그것은 존재하지 않거나 문제되지 않는다.
나는 시뮬레이션을 트집잡으려는 것이 아니다. 그것은 분명히 그것의 자리가 있다. 일반적으로, 당신이 모델링하는 것이 무엇인지 당신이 알고 있다면 시뮬레이션은 놀라운 일을 할 수 있다. 반면에, 당신이 EMC 같은 일을 한다면 시뮬레이션의 이익은 잘못 전달된다. EMC에 대해서 전체 문제가 되는 곳은 어떤 효과가 가장 문제가 되지는 우리가 알기 어려운 곳이다. 즉 시뮬레이션지 작동하지 않는 곳이다. 사무엘 클레멘스(마트 트웨인)의 물별의 말 "오는 재앙은 우리가 준비 했던 것이 절대 아니다"

5. 디지털 엔지니어는 EMC의 이해가 그들의 경력을 앞서게 한다는 것을 믿지 않는다.
이것은 매니지먼트 문제이다. 그것이 어떻게 달성되는지 보는 것은 쉽다.
조가 최고 수준의 제품 디자이너이고 디지털 전문가라고 상상하자. 그는 그의 최근 제품이 한번에 FCC와 EC 규정을 통과하므로써 그의 EMC 통찰력을 보여주었다. 그는 천재다!
그 다음에 무엇이 벌어질지 매우 예측가능하다. 조의 디자인 경력은 올라간다. 그는 더 이상 그 회사에서 다른 프로세서를 디자인하지 않을 것이다. 대신 그는 프레드 제품의 EMC 문제를 디버그하라고 요청받을 것이다. 그리고 밥의 것, 그 다음 다른 모든 종류. 그는 효과적으로 테스트 범위를 줄여나가고, 그의 EMC 경험을 계속해서 반복한다. 그 동안 다른 사람들은 그들의 날림 프로세서 보드가 "기능"하도록 하는 보상을 수확한다.
오늘날의 비즈니스 세계에서, 전형적인 디지털 엔지니어는 제조에 대한 토탈 준비보다는 단순한 디지털 기능에 대해서만 보상을 받는다.

결론
나는 주변의 이런 상황을 우리가 돌릴 수 있다고 생각한다. 나는 우리의 EMC 전문가, 우리의 신호 무결성 전문가, 그리고 우리 대학의 영리한 연구자가 이런 5 개의 큰 오해를 푸는데 도움을 주고 다가오는 수십년에 우리가 마주할 EMC 여려움에 대한 어떤 실제적인 해결을 우리가 만드는 데 도움을 줄거라고 생각하다. 우리가 해낸다면 컴퓨터 산업의 미래에 큰 변화를 만들거라고 생각한다.
마지막으로, 지역 EMC 소사이어티 미팅에서 좀 더 많은 디지털 친구들을 보게 되길 희밍한다. 그 여행은 가치가 있었다.

출처: IEEE EMC Society Newletter, 1998.3. by Dr. Howard Johnson

 스펙트럼 상의 어떤 하모닉 성분을 없애려고 했더니 다른 하모닉 성분이 커지는 것을 경험해 본적이 있나? 그런 것을 풍선 효과라고 부른다. 풍선의 한쪽을 누르게 되면 다른 쪽이 커지게 되는 것에서 따온 용어이다. 한쪽을 눌렀더니 다른 쪽의 하모닉이 증가하는 것은 주로 PCB 자체의 공진에 기인한다. 다음은 Mike Fanet 이란 사람이 실험한 내용이다.

 그는 이더넷을 가지고 있는 임베디드 ARM 프로세서 보드의 방사(emission)를 줄여 달라는 고객의 요구를 받아 실험을 하였다. 계측기로 관측한 결과 25 MHz의 강력한 하모닉(harmonics)이 PHY 회로에서 나오는 것을 발견하였다. 보통 저렴한(low-cost) 보드들에서 흔히 발견 된다. 이 오리지날 하모닉은 150 MHz에서 peak를 이루었다. 아래 그림을 참조하자.

 위 공진을 제거하고자 기존 PHY 근처에 있던 100 nF 커패시터(capacitor)를 2.2 uF 커패시터로 교체하였다. 그 결과 아래와 같은 파형을 었었다.

 150 MHz 근처의 peak 는 없어졌는데 고주파 영역에서 더 큰 하모닉들이 발생하였다. 이것이 전형적인 풍선 효과 이다. 만약에 측정 장비의 수평 window 범위를 작게 하고 측정을 하였다면(예들 들어 1000 이 아니고 500), 문제가 해결된 것처럼 보였을 것이다. 따라서 규격화 된 모든 범위까지 확인해 볼 필요가 있다.

 바이패스(bypass) 커패시터 교체했다는 것은 PCB의 공진 특성을 바꾸었다는 것과 같은 것이다. 바이패스에서 중요한 것 2 가지는 다음과 같다.

1. 바이패스 커패시터의 위치 - 일반적인 보드의 파워와 그라운드 샌드위치 구조에서 판(plane) 사이의 거리는 0.2~0.25 mm 정도이다. 여기서 바이패스 커패시터는 노이즈를 유발하는 모든 IC의 전원핀 근처에 가능하면 가깝게 배치를 해야 한다. 그러나 파워와 그라운드 판 사이의 거리가 0.1 mm  정도 되면 커패시터의 위치는 덜 중요해 질 수도 있다. 왜냐하면 판 사이의 built-in 고주파 커패시터가 특성이 더 좋기 때문이다.

2. PCB 공진 - 보드 공진은 판 커패시터(대략적으로 보드의 디멘전과 관련 있다), 바이패스 커패시터 어레이, 벌크 커패시터와 관련이 있다. PCBA의 다양한 공진 모드를 VNA(Vector Network Analyzer)로 측정할 수 있다.

 일반적으로 보드 공진은 바이패스 커패시터를 알맞은 장소에 추가하므로써 바꿀 수 있다. "lossy"한 커패시터를 사용하므로써 공진을 완화할 수 있다. 길고 얇은(가로 대 세로 비가 큰) 보드일수록 정사각형에 가까운 보드보다 더 공진을 많이 한다.

 위의 설명은 하나의 예로서, 방사의 원인(소스)을 무력화하는 것 외에 명확한 답은 없다. 이 보드에서 25 MHz 하모닉은 분명히 이더넷의 PHY 회로에서 발생한다. 의심이 되는 것은 하나 이상의 이더넷 회로의 파워나 신호 트래이스가 신호 리턴 판의 갭 위로 지나가거나 한 레퍼런스에서 다른 레퍼런스 판으로 분명히 정의된 리턴 경로 없이 점핑한 경우일 것이다.

EDN, The EMC Blog의 Kenneth Wyatt 블로그에서 발췌 번역 - 김선환