설계의 전자기 간섭(EMI)은 오랫동안 특히 자동차 분야에서 큰 골칫거리였습니다. 가능한 한 EMI를 최소화하기 위해 설계자는 일반적으로 회로도를 설계하고 높은 di/dt 및 스위칭 전환 속도로 루프 영역을 낮춤으로써 노이즈 소스를 줄이기 위한 레이아웃을 그립니다.
그러나 때때로 레이아웃과 회로도 설계가 아무리 주의를 기울여도 전도성 EMI를 원하는 수준으로 줄이는 것이 여전히 불가능합니다. 이는 노이즈가 회로 기생 파라미터뿐만 아니라 전류 강도에도 의존하기 때문입니다. 또한 스위치 개폐 동작은 불연속 전류를 생성하고 이러한 불연속 전류는 입력 커패시터에 전압 리플을 생성하여 EMI를 증가시킵니다.
따라서 전도성 EMI의 성능을 향상시키기 위해 다른 방법을 사용할 필요가 있습니다. 이 백서에서는 노이즈를 걸러내기 위한 입력 필터 도입 또는 노이즈 차단을 위한 실드 추가에 중점을 둡니다.
그림 1 EMI 필터의 개략도
그림 1은 공통 모드(CM) 필터와 차동 모드(DM) 필터를 포함하는 단순화된 EMI 필터를 보여줍니다. 통상적으로 DM 필터는 주로 30MHz 이하의 잡음(DM 잡음)을 걸러내는 데 사용되고, CM 필터는 주로 30MHz~100MHz의 잡음(CM 잡음)을 걸러내는 데 사용된다. 그러나 두 필터 모두 실제로는 전체 주파수 대역에서 EMI 노이즈를 어느 정도 억제합니다.
그림 2는 포지티브 노이즈와 네거티브 노이즈를 모두 포함하여 필터가 없는 입력 리드 노이즈를 보여주고 이러한 노이즈의 피크 레벨과 평균 레벨을 표시합니다. 이 경우 테스트 중인 시스템은 주로 칩 LMR14050SSQDDARQ1을 사용하여 5V/5A를 출력하고 후속 칩 TPS65263QRHBRQ1에 전원을 공급하며 동시에 1.5V/3A, 3.3V/2A 및 1.8V/2A를 출력합니다. 이 두 칩 모두 2.2MHz의 스위칭 주파수에서 작동합니다. 또한 그림에 표시된 전도 EMI 규격은 CISPR25 Class 5(C5)입니다.
그림 2 C5 표준의 노이즈 특성(필터 없음)
그림 3은 DM 필터를 추가한 EMI 결과를 보여줍니다. 그림에서 알 수 있듯이 DM 필터는 중간 대역 DM 노이즈(2MHz ~ 30MHz)를 거의 35dBμV/m 감쇠시킵니다. 또한 고대역 잡음(30MHz ~ 100MHz)도 감소하지만 여전히 한계 수준을 초과합니다. 이것은 주로 고주파 대역 CM 잡음에 대한 DM 필터의 제한된 필터링 능력 때문입니다.
그림 3 C5 표준의 노이즈 특성(DM 필터 사용)
그림 4는 CM 및 DM 필터를 추가한 노이즈 특성을 보여줍니다. 그림 3과 비교하여 CM 필터를 추가하면 CM 잡음이 거의 20dB μV/m 감소합니다. EMI 성능도 C5 표준을 통과합니다. 그리고 EMI 성능도 CISPR25 C5 표준을 통과합니다.
그림 4 C5 표준에 따른 잡음 특성(CM 및 DM 필터 사용)
그림 5는 다른 레이아웃의 대역 CM 및 DM 필터의 잡음 특성을 보여주며 필터는 그림 4와 동일합니다. 그러나 그림 4와 비교하여 전체 주파수에서 잡음이 약 10dB μV/m 증가합니다. 대역이며 고주파 노이즈는 CISPR25 C5 표준의 평균값을 초과합니다.
그림 5 C5 표준에 따른 노이즈 특성(CM 및 DM 필터 사용, 다른 레이아웃)
그림 4와 5 사이의 노이즈 결과의 차이는 주로 그림 6과 같이 PCB 배선 차이 때문입니다. 그림 5의 배선(그림 6의 오른쪽)에서 DM 필터를 둘러싼 대형 구리 오버레이(GND) Vin 정렬로 일부 기생 커패시턴스를 형성합니다. 이러한 기생 커패시턴스는 고주파수 신호 바이패스 필터에 효과적인 저임피던스 경로를 제공합니다. 따라서 필터의 성능을 최대화하기 위해서는 그림 6의 배선 왼쪽에 표시된 것처럼 필터 주변의 구리 클래딩을 모두 제거해야 합니다.
그림 6 다른 PCB 배선
필터를 추가하는 것 외에도 EMI 성능을 최적화하는 또 다른 효과적인 방법은 실드를 추가하는 것입니다. 이는 GND에 연결된 금속 실드가 노이즈가 외부로 방사되는 것을 방지하기 때문입니다. 그림 7은 실드 배치 방법을 권장합니다. 실드는 보드의 모든 구성 요소를 덮습니다.
그림 8은 필터와 실드를 추가한 후의 EMI 결과를 보여줍니다. 그림과 같이 전체 주파수 대역의 노이즈가 실드에 의해 거의 제거되고 EMI 성능이 매우 우수합니다. 이것은 주로 안테나에 해당하는 긴 입력 리드가 실드가 우연히 격리하는 많은 방사 노이즈를 결합한다는 사실 때문입니다. 이 설계에서는 IF 잡음도 이러한 방식으로 입력 리드에 결합됩니다.
그림 7 3차폐가 있는 PCB의 D 모델
그림 8 C5 표준의 노이즈 특성(CM, DM 필터 및 차폐 포함)
그림 9는 또한 필터와 실드가 있는 노이즈 특성을 보여줍니다. 그림 8과 달리 그림 9의 실드는 전체 보드를 감싸고 입력 리드만 노출되는 금속 상자입니다. 실드에도 불구하고 일부 방사 노이즈는 여전히 EMI 필터를 우회하고 PCB의 전원 라인에 결합할 수 있으므로 그림 8보다 노이즈 특성이 더 나빠집니다. 흥미롭게도 그림 4, 8의 고주파 대역의 노이즈 특성은 및 9(동일한 레이아웃 배선)는 거의 동일합니다. 이는 EMI 필터를 추가함으로써 입력 라인에 결합될 수 있는 고주파 대역 방사 노이즈가 거의 존재하지 않기 때문입니다.
그림 9 C5 표준에 따른 노이즈 특성(CM, DM 필터 및 차폐 금속 상자 포함)
요약하면 EMI 필터 또는 차폐를 추가하면 EMI 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 그러나 동시에 필터의 레이아웃과 배선, 실드의 배치를 신중하게 고려해야 합니다.
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