[4호] S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 3부

전력 전자 부품의 삼총사!

S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER

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전력 전자 부품의 핵심 분야인 S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 에 대해서
분야별로 알아보는 시간을 가지고 있습니다. 이번 시간은 NOISE FILTER 에 대해서 살펴봅시다. 

제 3 부 NOISE FILTER

1. NOISE의 개요

과학 기술의 발전 및 전기 전자기기의 사용증가와 더불어 FA화, OA화, 시스템의 대규모화등 컴퓨터화에 의해 전자 장치의 역할이 더욱 크게 되었고, 정보를 고속으로 교환하는 다양한 정보 통신망의 실현에따라 이용 주파수 스펙트럼도 확장되었다.
텔레비젼, 라디오등과 같이 전파를 수신해서 기능을 발휘하는 제품이나 컴퓨터와 같이 MHz 대의 펄스를 사용하는 제품에서는 환경 오염의 일종인 전자파가 존재하는데, 이 전자파가 공간으로 방사 또는 전원 코드를 통해서 다른 제품에 영향을 줄 때 이러한 전자파를 『노이즈』또는 EMI(Electro Magnetic Interference)라 한다.
이러한 노이즈는 전기 전자기기의 목적과 기능을 방해하는 불필요한 전기적 에너지라 할 수 있으며 이런 장해 전자파가 발생하는 이유는 반도체와 디지털 기술의 발전으로 부품이 소형화, 고밀도화, 고속도화로 짧은 시간에 전압이나 전류가 급격히 변화하기 때문이다.

2. NOISE의 종류

노이즈는 전기를 띤 구름이 뇌방전을 일으킬 때 발생되는『자연노이즈』와 사람이 장치등을 사용할 때 부수적으로 발생되는 『인공노이즈』로 크게 분류되며, 자연노이즈는 구름의 기단 사이에 기상 변화가 심할 때 낙뢰가 송전선 또는 통신 회선 등에 직접 인가 되었을 때 발생하는 직격 뇌써지와 뇌방전시에 구름과 구름 사이 또는 구름과 대지 사이에서 대전된 전하가 소멸되는 현상 즉 매우 큰 방전 전류에 의한 유도 현상으로 인하여 송전선이나 통신 회선등에 이상 전압이 발생하는 유도뇌써지등이 있다.
인공노이즈는 『방사노이즈』와 『전도노이즈』가 있으며, 방사노이즈는 방송이나 휴대 무선기등의 통신용 전파에 의한 장해는 물론 송전선의 코로나 방전, 오토바이의 점화시의 노이즈 등 공간으로 직접 피해측에 전파하는 것이고, 기기나 회로간을 연결하는 신호선이나 제어선, 전원선 등이 본래 전송해야할 신호들과는 달리 이들 도선을 통해 피해측에 유도되는 전자파를 전도노이즈라 한다.
전도노이즈는 Transient, Impulse 등과 같이 전원선을 타고 들어와 Line 간을 왕복하는 『노멀 모드 노이즈(Nomal Mode Noise)』와 전원선을 타고 들어온 뒤 Earth와 Line을 타고 나타나거나 그 반대의 경우와 같이 Line과 어스간에 전달되는 『커먼 모드 노이즈(Common Mode Noise)』로 구분되며, 노멀 모드 노이즈는 대부분 짧은 시간에 높은 전압을 주고 사라지는 것으로 기기는 예고없이 에러를 내게되고 특히 전송중에 있는 데이터는 치명적이 될 수있으며, 커먼 모드 노이즈는 Ground를 기준 전위로 채택하는 Logic회로가 내장된 전자기기나 Memory 계통에 에러를 유발 시킬 수 있다.

3 NOISE 대책

기기들이 서로 조화를 이루어 공조할 수 있는 능력을 적합성(EMC: Electro Magnetic Compati-bility)이라 하며 EMC는 EMI와 EMS로 구성되며, 노이즈 문제를 해결하기 위해서는 두가지 방법으로 접근할 수 있는데, 하나는 불요전자파의 방사를 억제하는 것이고(EMI: Electro Magnetic Interference, 전자파장해) 다른 하나는 어느 정도의 전자파 환경내에서도 그 장해를 견디며 정상적으로 동작할 수 있도록 내성(EMS: Electro Magnetic Susceptibility)를 강화시키는 방법이다.
노이즈 문제가 발생하려면 다음의 3가지 요소가 반드시 조합되어야 하며 이중 어느 하나만이라도 제거 되면 문제가 발생하지 않는다.

FIG-1 노이즈 문제의 3요소

효과적인 EMI 노이즈 대책이란 회로 메카니즘의 적절한 밸런스를 이루는 것으로 좁은 영역에서의 EMC를 말하는 것이라 할 수 있으며, 이와 같은 노이즈를 저감하기 위한 실제 기술로는 접지(Grounding), 필터링(Filtering), 차폐(Shielding) 등이 있다.
1) 접지기술
전자 기기 내부의 접지는 신호 그라운드(SG)와 프레임 그라운드(FG)로 나누어 볼 수 있는데, 노이즈에 의한 트러블은 이와 같은 SG계통과 FG계통의 레벨 변동이 원인인 경우가 많다. SG는 회로 전류를 귀환시키는 그라운드이므로, 전류가 흐르는 그라운드이고, FG는 전류가 흐르지 않는 그라운드로서 FG에 전류가 흐르면 외부로 노이즈 방사의 원인이 되기도 하고, 외부의 전자계에 대한 감수성을 높이기도 한다. 따라서 어스회로의 임피던스를 가능한 적게 하고, 어스회로에 전류가 흐르지 않게 하며, 또한 그라운드 루프를 형성하지 않도록 하는 것이 기본이다.
2) Lay-out
전자 부품 및 내부 와이어 같은 것들의 Lay-out이 의외의 노이즈 특성을 좌우하는 경우가 많다. 기본적으로 전기적인 성격이 다른 부분은 분리하는 것이 좋다. 예를 들어 입력↔출력, 디지털↔아날로그 고속↔저속, 고압↔저압, 저임피던스↔고임피던스을 분리하여 부품 배치와 배선 패턴을 최적화 하여 용량 결합, 유도 결합, 공통 임피던스 결합에 의한 노이즈 발생 메카니즘을 피하는 것이 좋다.
3) 전자부품 선정
IC 및 TR과 같은 능동소자, 콘덴서, 인덕터, 트랜스와 같은 수동소자 및 콘넥터, 스위치와 같은 기구품 등의 특성, 성능을 노이즈 발생 메카니즘과 관련시켜 검토하고 최적인 부품을 선정함으로써 노이즈에 대한 내력(Immunity)을 강화 시키고 노이즈 성분의 발생을 억제 시킨다.
4) 차폐기술( Shielding)
차폐는 노이즈의 영향을 받고 있는 회로나 기기의 장해 방지 수법 중 가장 기본적이고 넓게 사용되고 있는 방법으로 일반적으로 용량 성분적인 결합을 방지하는 것을 『정전쉴드』, 자계 및 전자파에 의한 결합을 방지하는 것을 『전자쉴드』라고 하며, 정전쉴드는 알루미늄이나 동등의 금속케이스나 쉴드 케이블을 사용하는 대책으로 낮은 레벨의 회로나 고주파 회로에 효과적이며, 전자쉴드는 외부로부터 자속의 영향을 받기 쉬운(또는 외부로 자속을 누설하기 쉬운) 트랜스, 인덕터와 같은 것을 니켈 등과 같이 고투자율 금속의 케이스를 사용하여 내부(또는 외부)에 대하여 자속의 침입이나 누설을 방지하는 것이다.
5) 필터기술(Filtering)
도체를 통해 전달되는 전도노이즈 및 자유공간으로 방사되는 방사노이즈에 대한 대책에서 양쪽 모두의 대표적인 방법으로 필터링 기술이 있다.
필터는 인덕턴스와 커패시턴스의 조합으로 구성되며 전원계에 사용되어지는 것과 신호계에 사용되어지는 것으로 구분된다. 전원용 필터는 고전압, 대전류에 견디도록 설계되며 일반적으로 30MHz 이하의 낮은 주파수 대역에서 주로 사용되고, 통상 30MHz 이상의 주파수 대역에서 적은 전류의 신호계에 사용되는 신호용 필터는 실제의 제품에 적용해보면서 각각의 경우에 맞는 최적의 필터를 결정하는 경우가 많다.

4. NOISE 관련 용어

A. RFI(Radio Frequency Interference) :『무선주파장해』로 무선통신의 통신장해, 혼신을 일컬음
B. EMI(Electro Magnetic Interference) : 『전자파장해』로 무선통신기기, 전자기기, 기계, 자동차 등 모든 물체에서 발생하는 직류에서 초고주파까지의 전자기 방해를 일컬음
C. EMS(Electro Magentic Susceptibility) : 『전자파감수성』으로 기기와 외부 항해의 영향을 얼마나 쉽게 받는지를 나타낸 것.
D. EMC(Electro Magnetic Compatibility) : 『전자환경적합성』으로 EMI와 EMS를 합친 것.

5. EMI 규격

미국, EU 등을 비롯한 선진 각국에서는 EMI에 대한 법적규제를 실시하고 있고 EMI문제를 해결하기 위하여 정확한 측정 방법, 대책 기술 개발등에 노력을 기울이고 있다.
이에따라 전자 전기 제품의 수출시 반드시 해당 국가의 EMI 규제에 통과하지 않으면 안되며, 주요 규격은 다음과 같다.

CISPR (IEC 국제 전자파장해 특별위원회)
FCC (미국연방통신 위원회)
VDE (독일 전기기술자 협회)
VCCI (일본정보처리장치 등 전자파장해 자주규제 협의회)

6. NOISE FITER

6-1 NOISE FITER의 개요
AC 전원 라인은 외부의 노이즈가 전자기기로 침입하기도 하고, 전자기기의 내부에서 노이즈가 외부로 유출되는 경로가 된다. 또한 AC 라인 노이즈에는 라인간에 발생하는 『노멀 모드 노이즈(Normal Mode Noise)』와 양쪽 전원 라인과 그라운드 사이에서 발생하는 『커먼 모드 노이즈(Common Mode Noise)』가 있다.

FIG-2 NOISE FILTER

따라서 노이즈 필터는 이러한 두 종류의 노이즈를 제거하는 회로망이 필요하다. 노이즈 필터는 3종류의 부품으로 구성된 것이 일반적으로 각 각의 부품은 노이즈의 모드와 주파수에 따라 커먼 모드 초크 코일이 저역의 커먼 모드 노이즈를 제거하고, 어크로스 라인 콘덴서가 저역의 노먼 모드 노이즈를 제거하며, 또한 라인 바이패스 콘덴서는 고역의 커먼모드와 노멀모드 양방의 노이즈 제거 역할을 한다.

커먼모드 초크코일은 1개의 폐자로 Core에 동일한 인덕턴스의 코일을 반대방향으로 감아서 부하에 공급하는 전류에 의한 코아의 포화는 방지하고(자속을 서로 상쇄시킴) 커먼 모드 노이즈에 대해서는 인덕터로 동작하며, 라인 바이 패스 콘덴서는 라인과 프레임 그라운드간에 접속하는 콘덴서이다.

FIG-3 노멀모드노이즈에 의한 등가회로

FIG-4 커먼모드노이즈에 의한 등가회로

6-2 사용상 주의사항
1) NOISE FILTER는 기기의 입출력 단자와 가장 가깝게 접속해야 하며, NOISE FILTER의 입출력선은 서로 겹치지 않도록 하여 NOISE FILTER의 감쇄 특성이 최대한 발휘 되도록 한다.

2) NOISE FILTER를 기기에 장착할 때는 가능한 고주파 저항을 최소화 하여야 하며, 이를 위하여 금속 케이스의 NOISE FILTER를 접속할 때는 기기의 접속 부분의 도장 성분을 제거하여 전기 전도성을 좋게하며, 접지 단자가 있는 NOISE FILTER는 반드시 NO-ISE FILTER의 접지 단자와 가장 가까운 거리에 접지한다.

3) 고전압의 SURGE나 IMPULSE가 침투할 우려가 있는 경우에는 NOISE FILTER 앞단에 SURGE ABS-ORBER를 사용하는 것이 좋다.

4) NOISE FILTER의 전압, 전류 정격 이내에서 사용하여 NOISE FILTER의 성능 및 신뢰성이 떨어지지 않도록 한다.