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민감한 전자 장비 회로 설계

National Electrical Code의 최소 요구 사항 초과

장비 접지 회로에서 전자기 간섭 (EMI)을 최소화 하기 위한 노력

간섭 ≒ 회로의 전기적 노이즈 →  데이터 오류 및 손실 유발 가능

민감한 시스템 전력 공급관련 세 가지 요구 특성

1. 신뢰성
2. 전원 품질
3. 접지 회로 또는 기타 접지 경로의 전기 노이즈 최소화

접지 회로 노이즈 전류의 원인 하나 

서비스 분리 수단 부하 측에서 부적절한 중성선 연결

별도로 유도 된 시스템에서 부하 측 접지 지점

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

모든 스코프 프로브는 부착(extranous) 노이즈를 픽업 한다. 그 노이즈의 일부는 자체로 발생되고 다른 일부는 테스트 중인 시스템에 의해서 발생된다. 노이즈 있는 신호를 바라볼 때, 신호의 어떤 부분이 "실제"이고 어떤 부분이 노이즈와 상호 간섭에서 유도된 것인지 어떻게 말할 수 있는가? 단 하나의 방법이 있다. 그리고 그 방법은 그것을 포용하면 노이즈, 그라운딩, 디지털 시스템의 본성에 대한 놀라운 통찰로 인도한다.
노이즈와 상호 간섭을 직접적으로 측정하는 유일한 방법은 nothing(아무것도 없는 것) 측정을 시도를 하는 것이다. 실제 신호를 측정하는 것처럼 프로브를 위치하고 그라운드하고 그라운드 주변의 어떤 곳을 프로브의 팁으로 터치한다. 이 구성은 널 실험이라고 부른다. 이상적으로, 널은 0(zero, zip, nada, 또는 naught)을 볼 것이다.
실제로 관찰하는 것은 noise floor - 모두 중첩된 상호 간섭 노이즈 소스들 - 이다. 수직 평균과 트리거 회로 조합의 창조적 사용이 종종 거품의 바다 깊이 묻혀있는 작은 노이즈 효과를 떼어내어 특정한 관찰로 이끌 수 있다. 당신은 nothing 측정하는 것을 잘 다루는 것을 배울 수 있다.
이론적으로, 당신의 널 실험에서 프로브가 픽업하는 노이즈가 무엇이든 실제 신호에 그 노이즈가 중첩되어 나타날 것이다. 2개 의 주요한 소스가 당신이 보게되는 노이즈를 유발한다. 하나는 디지털 로직 그라운드와 스코프의 전기적 포텐셜 사이에 차이에 기인한 프로브 쉴드에 흐르는 전류이고, 둘째는 DUT와 프로브 또는 프로브 와이어링을 둘러싼 전자기장 사이의 상호작용이다.
전자(former) 소스가 얼마나 많은 노이즈를 만드는지 결정하기 위해서, 프로브가 그 자신의 그라운드를 연결한 채로 프로브와 프로브 그라운드는 DUT에서 완전히 떨어지게 한다. 그렇지 않으면 프로브 토폴로지를 널 실험과 유사하게 유지한다. 이 절차는 프로브 쉴드 전류를 제거해서 전자기장 픽업만 남게 한다.
프로브 쉴드 전류가 심각한 문제이면, 다리 하나는 신호에 다른 하나는 디지털 로직 그라운드에 한 채로 디퍼런셜 프로브를 시도한다. 디퍼런셜 프로브의 두 입력은 높은 임피던스를 갖기 때문에 - single-ended 프로브의 그라운드 연결 임피던스 보다 훨씬 높은 - 이 구성에서 매우 작은 쉴드 전류가 흐를 것이다.
후자 소스에 대해서, 먼저 그 노이즈가 DUT에서 나오는지 방의 어딘가에서 나오는지 결정한다. 프로브를 그 자산의 그라운드와 연결한 채 그러나 여전히 DUT로부터 연결되지 않은채 프로브를 들고 주변을 돈다. 프로브를 원인을 찾는 전자기장 탐지기로 사용한다. 때때로 형광등이나 다른 회로가 이런 구성에서 노이즈를 유도한다. 그렇다면 그것을 끈다.
전자기장 노이즈가 DUT로부터 오면, 스코프 프로브와 시스템 사이의 그라운드 연결 길이를 체크한다. 신호 소스로부터 프로브까지 그리고 뒤 돌아 프로브의 그라운드 연결까지 루프를 작게할수록 프로브가 수신하는 노이즈는 적다. 루프의 사이즈를 줄이면 널 실험 결과는 향상될 것이다.

EDN magazine, 2013.4.11. by Dr. Howawrd Johnson.

원인

1. common-mode 노이즈의 제일 큰 source = 물리적으로 떨어진 2개의 ground 사이에 potential 차이

  > 네트웍 인터페이스 카드는 큰 CMV(Common Mode Voltage)에 의한 failure의 첫 목표물이 되기 쉽니다.

2. common-mode 노이즈를 유발하는 두 번째로 큰 이유 = ground되지 않은 sources

  > 이런 노이즈는 모든 경우에 있어서 예측하기가 매우 어렵니다.

해결

1. 이런 노이즈를 방어하는 방법 = 상황에 맞게 적절한 ground

2. 추가적으로 큰 동작 범위와 큰 CMRR을 가진 부품을 사용