제7회:스위칭전원의 노이즈 대책
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- 리경 염
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1 제 7 회 : 스위칭전원의노이즈대책 종래의리니어전원대신전자기기의전원의주류인스위칭전원. 소형. 경량. 고효율이라는우수한특징이있지만스위칭전원에도약점이있다. 반도체소자에의해전류를고속으로 ON/OFF하는방식이기때문에고주파의노이즈가발생하는것이다. 스위칭전원의기술사는고효율화를위한열과의싸움임과동시에노이즈와의싸움이기도하다. 스위칭전원에는다종다양의노이즈대책이강구되고있다. **EMC대책의네가지방법 ( 반사, 흡수,By-pass/ 통과,Shield/ 차폐 ) 을구사한스위칭전원전자기기의노이즈대책을 EMC대책이라고한다. 노이즈문제에는 EMI( 전자방해 / 電磁妨害 =Emission) 와 EMS( 전자방해감수성 / 電磁妨害感受性 =immunity) 가있는데이쌍방을양립시킨것이 EMC( 전자적양립성 / 電磁的兩立性 ) 이다. 즉 다른시스템에노이즈영향을주지않는 (EMI), 다른시스템및기기본체에서생기는노이즈의영향을받지않는 (EMS) 를양립시킨것이 EMC이다. 스위칭전원은 EMC대책의기초및응용을알기에적절한기기이다. 왜냐하면스위칭전원은다른시스템으로부터의전도노이즈의입구이면서부하측 (IC등) 에노이즈를내보내는출구이기도하기때문이다. 또스위칭전원은스스로가노이즈발생원이기도하다. 이노이즈는전도노이즈로되어전원선을따라흐를뿐만아니라방사노이즈 ( 유해전자파 ) 로되어본체및다른전자기기에악영향을미친다. 따라서 EMC대책없이스위칭전원은사용할수없다고하여도과언이아니다. EMC대책에는 (1) 반사 (LC필터등에서노이즈성분의전도를방지 ) (2) 흡수 ( 페라이트코아, 칩-비드등에서노이즈를흡수하여열로변환 ) (3) 바이패스 ( 커패시터및바리스터등으로그라운드에흘려보냄 ) (4) 실드 ( 방사노이즈를금속Case에의해그라운드로흘려보내거나, 페라이트등의전파흡수체로흡수하여제거 ) 의네가지방법이있다. AC-DC 스위칭전원을예로들어전원전자기기의 EMC대책을검토하여보면, AC-DC 스위칭전원은상용교류를정류. 평활하여 DC-DC Converter에서안정된일정전압의직류로변환하여출력하는장치이다. 입력측. 기기본체. 출력측각각에 EMC대책이강구되어진다. 먼저입력측인데, 상용교류는전력공급라인임과동시에뇌 ( 雷 ) 서지 (Surge) 및다른전기. 전자기기에서의고주파노이즈, 펄스성노이즈등여러가지의전도성노이즈의입구가되고있다. 따라서이러한노이즈의침입을저지하기위하여입력측에는전원용 EMC 필터 ( 라인필터 /Line Filter) 가사용된다. 전원용 EMC 필터는기기내부에서발생하여외부로유출되는백노이즈 (Back Noise/ 귀환노이즈 ) 를억 1
2 제하는역할도한다. ** 전원용 EMC 필터에서의 Common Mode Choke 기능전원라인및신호라인을흐르는전도노이즈에는 "Differential Mode" 와 "Common Mode" 라는두가지 Type의전도모드가있다.Differential Mode 노이즈는두가닥의도선을왕복하여전달되는노이즈이다.(Differential 의의미는전류방향이서로다르다는것을의미한다.) 전원전류와신호전류는 Differential Mode이다. 이때문에노말모드 (Normal Mode) 라고부른다. 대책이성가신것은 Common Mode 노이즈이다. 예를들면전자기기내부에서발생한방사노이즈는금속Case등에미약한노이즈전류를흘려다른전자기기에침입하는것이다. 이것을 Common Mode 노이즈전류라고한다. 두가닥의도선에같은방향으로흐르느것이 Differential Mode 노이즈와의차이이다. Common Mode 노이즈는전압레벨은낮지만광범위하게전파하는것이특징이다. 최근 IC 및 LSI의구동전압은약2V~1V 이하까지저전압화되고있기때문에 IC 및 LSI의오동작을일으키는 Common Mode 노이즈의대책은전자기기의 EMC 대책의중심이되고있다. Differential Mode 노이즈는인덕터 (L) 와커패시터 (C) 를조합한 LC Filter로서저감할수있지만,Common Mode 노이즈에는효과가없다. 따라서전원기기의입력부에는 Common Mode Filter 와커패시터 (Capacitor) 를조합한전원용 EMC 2
3 Filter가필수로사용된다. Common Mode Filter는환상 (Toroidal) 의페라이트혹은아몰퍼스 ( Amorphous) 코아에두가닥의도선을같은방향으로감은것이다. Common Mode 노이즈전류는같은방향으로흐르기때문에코아내부에발생하는자속도같은방향이되어큰임피던스 (Impedance) 로되어노이즈침입을저지한다. 또 Common Mode Filter 양측의컨덴서 (Condenser/ 커패시터와동일한용어로사용됨 / 이컨덴서를 X 컨덴서라고한다 ) 는 Differential Mode 노이즈를저감하고, 출력측의컨덴서 (Y 컨덴서라고함 ) 는 Common Mode 노이즈를그라운드 (Ground) 에흘려저감한다. 기기에조립하는 Type과인렛트소켓 Type등여러가지가있다. 3
4 ** 전원기기의입구에서출구까지를 Support 하는 Tatal EMC Solution 전원기기본체에도 여러가지 EMC 대책이강구되고있다.AC-DC 스위칭전원에서는교류를정류. 평 활하더라도교류의흔적이남아물결같은전압변동이있다. 또직류전압을변환하는 DC-DC Converter부에서는그전압변동에고주파스위칭노이즈가중첩한다. 또 2차측의전류 ( 轉流 ) 다이오드에서도스피이크노이즈 (Spike Noise) 라불리는급준한노이즈가발생하여중첩된다. 베터리의직류전원을이용하는기기에서는교류주기의물결은없지만역시 DC-DC Converter부에서고주파스파이크노이즈 (Spike Noise) 및스위칭노이즈가발생한다. 이러한노이즈를저감하기위하여컨덴서 (C) 와저항 (R) 으로구성된 CR Snubber회로가 Transistor 및전류 ( 轉流 ) 다이오드에병렬로사용되어진다. 회로기판의패턴 (Pattern) 의설계상에서주의가필요한것은트랜스및초크코일등동선이있는전자부품의배치이다. 코일의누설자속 (Leakage Inductance) 이다른코일과자기적으로결합하여노이즈를유도하기때문이다. 또배선에대전류가고속으로 ON/OFF하면배선이가진인덕터성분에의해노이즈가발생한다. 전자부품의리드선조차도영향을주기때문에리드선은가능한짧게하여야한다. 이러한점에서보면표면실장Type인 SMD는리드선이없기때문에유리하다. 루프 (Loop) 상의배선로에전류가흐르면루프가안테나와같은기능을하여노이즈를방사한다. 따라서배선로의루프면적을가능한적게되도록설계한다. 소형전원에서는전체를금속Case로감싸는것도방사노이즈를외부로누설하지않기위해서다. 출력케이블 (Cable) 도안테나역할을하기때문에페라이트코아혹은클램프필터 (Clamp Filter) 등이방사노이즈대책으로사용된다. AC-DC 스위칭전원은 EMC대책의견본인것처럼실로여러가지노이즈대책이강구되고있다. 그것을개략적으로정리한것이아래그림이다. 동일한회로도에서도배선패턴및부품의레이아우트 (Layout) 에의해서도스위칭전원의성능은크게달라진다. 전원은입구에서기기본체그리고출구까지의일관된 EMC대책이필요하다. 4
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