EMI, EMC, EMS 무엇인가1?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이번에는 EMI, EMC, EMS 입니다.

EMI/EMC는 21세기의 전자 엔지니어들에겐 피할 수 없는 숙명입니다. 실제 EMI 문제를 해결하는 인증부서의 엔지니어가 아니라 하더라도, EMI 문제는 설계단계에서 부터 제조, 양산과 테스트 방법론에 이르기까지 영향을 주지 않는 부분이 없기 때문입니다.
이번 리포트에서 EMI/EMC 문제를 대처하는 방법에 대해 간략하게 설명함으로써, EMI를 분석하고 해결하는데 도움이 되는 중요한 팁을 전달하고자 합니다. 일단 EMI, EMS, EMC는 무엇일까!?

 

EMI (Electro-Magnetic Interference) :전자파 간섭 또는 전자파장애로 해석되며 법규에 의하여
‘방사 또는 전도되는 전자파가 다른 기기의 기능에 장애를 주는것“이라 정의 되어 있으며, 그 영향으로는 전자회로의
기능을 악화시키고 동작을 불량하게 할 수 있는 것이다.

EMS (Electro-Magnetic Susceptibility) : 전자파에 대한 내성, 즉 어떤기기에 대해 전자파방사 또는 전자파
전도에 의한 영향으로부터 정상적으로 동작할 수 있는 능력을 말함. 
이것은 EMI와는 대응되는 영어로서 전자파로부터의 보호.

EMC (Electro-Magnetic Compatibility) : 전자파적합, 양립성이라 해석되며 ‘전자파를 주는 측과 받는 측의
양쪽에 적용하여 성능을 확보할 수 있는 기기의 능력’으로 법규상 정의 되어있다. 
이 용어는 EMS와 EMI를 모두 포함하는 포괄적인 용어로서 어떤 기기가 동작 중에 발생하는 전자파를 최소한으로 하여
타기기에 간섭을 최소화해야 하며 EMI 또한 외부로부터 들어오는 각종의 전자파를 대해서도 충분히 영향을 받지 않고
견딜 수 있는 능력을 갖추어야 한다. EMS 의미이다.

 

이런 문제들은 전자장비의 불요 전자파 방출량을 일정 수준 이하로 제어하고, 외부에서 강한 전자파가 오더라도 오동작
하지 않는, 그러한 쾌적한 EMC 환경을 만드는 것이 엔지니어의 몫입니다.

EMC가 어려운 이유는, 문제를 예측하기도 어렵고, 발견된다 하더라도 그 원인과 해결점을 찾기가 막연한 경우가 많기
때문입니다. 시스템은 점점 더 빨리지고, 구조는 복잡해지고, 규격은 더 복잡해지고 있기 때문에 그야말로 제대로 3중고입니다.

이런 저런 이유로, EMI 문제는 현장에서 측정과 경험으로 잡아야 한다는 경향이 대세였지만, 최근에는 시뮬레이션 기술의 발전으로 여러 가지 다양한 예측과 해결법이 제시되어지고 있습니다. 시뮬레이션이란 결국 어떤 현상을 이론적인 수식으로 풀어내는 과정이고, 모든 자연계 현상은 물리적 법칙을 벗어나지 못합니다. 그러한 점에서, 물리 법칙에 근거한
시뮬레이션은 현실의 EMI 문제를 해결하는 중요한 단서를 제공할 수 있습니다.

이러한 전자파는 우리 인체에도 큰 영향을 미칩니다.

인체에 영향을 미치는 전자파는 극저주파(ELF), 초저주파(VLF), 라디오파(RF) 및 마이크로웨이브(마이크로파) 등으로 다음과 같은 악영향을 미칠 수 있습니다.

01. 두통, 시력저하, 백혈병, 뇌종양

02. 인체에 누적된 뇌파혼란 초래, 순환계 이상

03. 남자 생식기능 파괴

04. VDP 증후군 및 안질환유발

05. 암세포증식속도 가속화

06. 암, 당뇨, 유전성질환 유발

07. 임산부 유산기능

08. 태아기형, 악성임파종

09. 면역체계 이상, 각종 암 발생

10. 멜라토닌 호르몬 분비장애 (불면증)

11. 스트레스, 악성빈혈, 치매등

 
인체 유해성 관련 전자파 규제 권고 기준치

스웨덴 : 일반 전기용품에서 방출하는 전자파 중 자계의 허용한도를 사방 50Cm의 거리에서 2.5mG이하로 규정.

미국(국립방사선보호위원회NCRP) : 자계의 안전기준을 2mG이하로 권고,NCRP에서는 1995년 전선과 가전제품 등에서 발생하는 전자파가 백혈병 등 심각한 인체 질병을 일으킬 위험이 있다고 경고하고 있습니다.

그럼 EMI의 발생원인과 해결방안, EMS는 어떻게 보호를 하는가!? EMC는 어떤 것을 의미하는지를 알아보도록 하겠습니다.

 

◉. EMI의 발생원인 및 해결방안

 

EMI 원리는 EMI가 일어나기 위해서는 외부에 불필요한 전자파 복사의 전원이 되는 송신원과 이를 잡음으로 받아들이는 부하, 이 둘 사이를 전자기적인 결합에 의해 공간적으로 연결시켜주는 전파경로의 세 가지 요소가 필요합니다.

1. 장해를 일으키는 전자파 에너지의 발생원이 있습니다.

2. 장해 전자파의 세기가 허용한계를 넘어설 때 피해를 받는 기기가 있습니다.

3. 발생원에서 감수품 사이에 전자파가 전달되는 경로가 있습니다.

 

EMI의 종류
노이즈는
크게 전기를 띤 구름이 방전을 일으킬 때 발생되는 자연노이즈와 사람이 장치를 사용할 때 부수적으로 발생되는 인공노이즈로
분류됩니다.

자연노이즈는 구름의 기단 사이에 기상 변화가 심할 때 낙뇌가 송전선 또는 통신 회선 등에 직접 인가 되었을 때, 발생하는 직격
뇌서지와 뇌방전시에 구름과 구름 사이 또는 구름과 대지 사이에서 대전된 전하가 소멸되는 현상 즉 매우 큰 방전류에 의한 유도 현상
으로 인하여 송전선이나 통신회선 등에 이상 전압이 발생하는 유도뇌서지 등이 있습니다.

인공노이즈는 방사노이즈와 전도노이즈로 나눕니다.

① 방사노이즈 : 방송이나 휴대 무선기등의 통신용 전파에 의한 장해는 물론 송전선의 코로나 방전, 오토바이의 점화시의 노이즈 등
                            공간으로 직접 피해측에 전파되는 EMI이다.

② 전도노이즈 : 기기나 회로간을 연결하는 신호선이나 제어선, 전원선 등이 본래 전송해야 할 신호들과 달리 이들 도선을 통해
                             피해 측에 유도되는 EMI이다.

EMI 대책

1. Switching 전원의 EMI 대책

(1) 기본대책

1) 입력단에 설치하는 L과 C의 값을 크게 하고, Filter의 단수도 증가 시킨다.

2) 입력단자로부터 Filter까지의 거리를 최소한으로 짧게 한다.

3) 입력 Filter부를 Noise발생원으로 부터 멀리 떨어뜨린다.

4) 낮은 주파수 에서는 코일, 높은 주파수에서는 Cap.을 쓰는 것이 효과적 이다.

(2) 1~10 MHz대역의 대책

1) Y-cap 의 용량과 적절한 접속점을 검토한다.(AC line – Shield/earth)

2) 출력 및 Shield(FG)간의 Capacitor 용량과 적절한 접속점을 검토한다.

(3) 10~30MHz대역의 대책

1) 출력정류용 Diode는 Switching noise 가 작고 성능이 적절한 것을 검토한다.

2) Ferrite bead 를 출력 Diode 바로 앞에 설치 하는것을 검토한다.

3) Switching 전원성능과 Noise발생간의 균형을 이룰 수 있는 Switching speed를 검토한다.

2. 기판으로부터 발생되는 EMI 발생 대책.

1) 우선 고려해야 할 것은 System Clock line, PCB 패턴에 공진 되는 것도 있어서 외부로 크게 나타나게
    됩니다.

– 대책 : Clock line을 최소 짧게 하고, 패턴이 분기가 안 되도록 하고, Damping제항을 삽입하여 파형의 Ringing을 
  억제 하고, 안정된 Ground 층으로 Shielding을 좋게 하면, Clock의 emission은 상당히 억제가 됩니다.

 

2) 기판의 기준 전위층(SG)의 고주파 Impedance를 적게 합니다.

(Frame Ground 에 대해서 기판 자체가 common mode로 고주파 진동을 일으켜서 방사 안테나가 됨)

- 대책 : 나사 등을 사용하여 FG에 완전 결합시켜 고주파적으로 접지시키고, 103~101정도의 C(커패시터)로 결합 시켜도
            되지만 가능하면 SG와 FG를 직접 결합 시킨다. 이때 한 점만 하는 것은 역효과가 일어날 수도 있습니다.
            따라서 기판의 4점 가능하면 기판의 중앙 부분에도 접속 시키는 것이 효과적입니다.

3) CPU/주변LSI등의 Chip 에는 전원공급 line에 Chip의 바로 앞에 Coupling cap을 삽입합니다.

4) PCB상에서의 자속상쇄 대책 : 
    모든 전기회로는 신호를 방생시키는 신호원, 신호가 전달되는 부하단, 전달된 전류가 되돌아오는 귀환경로로 구성된
    폐회로를 이루고 있습니다. 이러한 자속은 이웃한 선로간의 신호를 결합시켜 누화현상을 일으킬 뿐 아니라 외부로
    복사되는 전자장해파의 강도를 증가 시키는 원인이 됩니다.
    자속을 감쇄 시키는 방법은 반대방향의 전류를 흘려 자속을 서로 상쇄 시키는 것입니다.
    이것은 전기기기에서 전기자반작용에서 보극을 설치하여 자속을 제거하는 방법과 매우 유사한 것 같습니다

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[EMI 노이즈 경로]

 

◉. EMC 대책

EMC대책의 요소

 

1. EMI/EMS 대책시기(비용과 자유도)

2. EMI/EMS 해결순서

3. EMC 기법선정

 

EMC해결순서

발생원의 식별 ⇒수신기의 식별⇒전달경로의 결정⇒간섭현상의 제거⇒⑤ 계속 반복한다.


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