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전원 장치에 대한 복사 EMI 요건 고찰

글/티모시 헤가티(Timothy Hegarty) 애플리케이션 엔지니어, 텍사스 인스트루먼트

최종 제품으로 전자기 적합성(EMC)을 달성하려면 다양한 표준에서 정의하고 있는 복사 방사 요건을 충족시켜야 한다.
스위칭 전원장치가 발생시키는 전자기 간섭(EMI)은 전원장치 자체와 이 전원장치가 작동되는 전체 시스템의 기생 효과, 회로 레이아웃, 부품 배치 등에 따라서 다양한 형태로 발생된다. 복사 EMI는 설계 엔지니어에게 매우 중요한 과제이다. 그렇기에 되도록이면 설계 작업의 조기 단계부터 이 문제를 다루어야 한다. 그러기 위해서는 해당 애플리케이션으로 적용되는 EMI 요건을 충분히 이해해야 한다.

머리말

복사 방사는 고주파 대에서 전원 컨버터의 EMI에 영향을 미친다[1]. 복사 테스트의 상한 테스트 주파수는 표준에 따라서 1GHz 혹은 그 이상까지 이를 수 있으며, 전도 방사보다 훨씬 높다[2]. 복사 EMI 측정은 전도 방사 테스트처럼 간단하지 않은데, 승인 시험을 위해서 꼭 필요하며 제품 개발 시에 일정을 지연시키는 요인이 될 수 있다. 이 글에서는 복사 방사에 관한 표준들을 살펴본다. 특히 자동차, 멀티미디어, 산업용 애플리케이션에 적용되는 표준 요건들을 설명한다.

자동차에 적용되는 복사 EMI 표준

오늘날 자동차는 전자장치의 비중이 점점 더 늘어나고 있다. 이러한 것들로서 다수의 마이크로프로세서, 다양한 RF 트랜스미터 및 리시버, 모터 구동 시스템, 부속적인 전원 관리 장치들을 포함한다. 복사 EMI 문제를 일으키는 모든 상호작용을 추적한다는 것은 무척이나 어려운 일이다. 특히나 자동차는 좁은 공간 안에 전원과 신호를 전달하기 위한 케이블 하니스(cable harness)가 빽빽하게 밀집되어 있기 때문에 더 그렇다. 부품과 시스템들을 테스트해서 자동차 EMC 요건을 충족하는지 확인해야 한다. 이렇듯 EMI 성능을 확인하는 것은 자동차를 설계하고 테스트하는 엔지니어들에게 매우 중요한 과제이다[3].

UNECE 규정 10

“자동차 승인과 관련한 전자기 적합성 규정”이라고 하는 제목의 UNECE(UN 유럽 경제 위원회) 규정 10 개정판 5(R10.05)는 자동차 제조업체가 모든 자동차, 전자 서브어셈블리(ESA), 부품, 개별 기술 유닛에 대해서 형식 승인을 취득하도록 정의하고 있다[4]. 형식 승인을 받은 시스템은 대문자 “E” 마크를 부착할 수 있다.
R10.05는 복사 EMI에 대해서 두 그룹의 테스트를 포함한다. 시동 시스템, 브러쉬드 DC 모터, 온보드 배터리 충전 유닛 등으로 인해서 발생되는 광대역(BB) 방사와 스위칭 전원장치, 클록 고조파 등으로 인해서 발생되는 협대역(NB) 방사이다. 전체 자동차와 ESA/부품 차원 테스트 각각에 대해서 한계를 정의하고 있으며, 측정 분해능 대역폭(RBW)은 120kHz를 사용하는 것으로 간주한다.

[그림 1] UNECE 규정 10의 복사 EMI 한계 요건.
(a) 자동차에 대해서 10미터 거리, (b) ESA/부품에 대해서 1미터 거리.

그림 1은 CISPR(국제 무선 장애 특별 위원회) 16에서 정의하고 있는 바에 따라서, 30MHz~1GHz 주파수 범위로 QPK(quasi-peak) 및 AVG(average) 검출기를 사용해서 측정했을 때 BB 및 NB 복사 방사 한계 요건을 보여준다. QPK와 AVG 측정 사이의 상관 계수는 120kHz RBW로 10dB이다. 측정 안테나 거리는 자동차에 대해서는 10미터이고, ESA에 대해서는 1미터이다. 자동차에 대한 테스트로 안테나 거리가 3미터이면 추가적인 10dB가 허용된다.

CISPR 12와 CISPR 25

R10.05에서는 CISPR 12와 CISPR 25를 집중적으로 언급하고 있다[5][6]. 이것들은 각각 오프보드(off-board) 및 온보드(on-board) 리시버를 보호하기 위해서 무선 외란의 한계와 측정 절차를 정의하고 있는 국제 표준들이다. CISPR 25는 CISPR 12보다 좀더 최근 것으로서, 자동차 회사나 협력 사들이 내부적인 제품 개발 때 주로 기준으로 사용하는 엔지니어링 표준이다.
CISPR 12는 자동차에 대해서 이로부터 무선 수신을 보호하기 위한 것으로서, 서브어셈블리가 아닌 전체 자동차에 대한 테스트이다. 반면에 CISPR 25는 자동차 상의 무선 수신을 보호하기 위한 것으로서, 다양한 무선 서비스 대역들에 대한 한계를 정의하고 있다. CISPR 25는 자동차로 제공되는 안테나를 사용해서 부품 또는 모듈 방사 측정과 전체 자동차 방사 테스트를 모두 포함한다.
그림 2는 부품/모듈에 대해서 피크(PK) 및 AVG 검출기를 사용한 클래스 5 복사 방사 한계를 보여준다. 자동차 내에서 방송 및 모바일 서비스 대역으로 사용되는 리시버에 대해서 측정을 취한다. 가장 낮은 측정 주파수는 유럽 장파(LW) 방송 대역인 150kHz~300kHz이고, 가장 높은 주파수는 블루투스 및 와이파이 전송 용의 2.5GHz이다. 자동차에 사용되는 부품은 BB와 NB 방사를 모두 일으키므로 CISPR 12/25에서는 더 이상 “광대역”과 “협대역”을 언급하지 않고 레퍼런스 검출기 타입만 언급하고 있다.

[그림 2] 부품/모듈에 관한 CISPR 25 클래스 5 복사 한계
1미터 안테나 거리로 ALSE(Absorber-Lined Shielded Enclosure) 테스트 기법 사용.

CISPR 25의 안테나 시스템

측정은 공칭 50Ω 출력 임피던스인 직선 편파 전계 안테나를 사용해서 한다. 표 1과 그림 3은 실험실들 사이에 일관성을 높이기 위해서 CISPR 25에서 권장하는 안테나를 보여준다.
저주파 측정에는 수직 탑재 능동 모노폴 로드 안테나에 카운터포이즈가 함께 사용된다. 바이코니컬 안테나와 로그 주기 다이폴 배열(LPDA) 안테나는 각각 30MHz~200MHz와 200MHz~1GHz 주파수 범위를 커버한다. 듀얼 리지 혼 안테나(DRHA)는 1GHz~2.5GHz에 사용된다. 광대역(하이브리드 바이코니컬/로그 “바이로그”) 안테나는 바이코니컬 안테나나 로그 주기 안테나보다 더 크며, 30MHz~1GHz의 넓은 주파수 범위를 편리하게 커버할 수 있다.

[표 1] CISPR 25에 따른 권장 안테나. 바이코니컬 안테나와 로그 주기 안테나는 주파수가 겹친다. 바이로그 안테나는 넓은 주파수 범위를 커버할 수 있다.

[그림 3] CISPR 25에서 언급하고 있는 측정 안테나

ALSE를 사용한 복사 EMI 테스트

그림 4, 그림 5, 그림 6은 표 1에서 열거한 주파수 범위에 걸쳐서 부품 및 모듈에 대해서 복사 방사 측정을 하기 위해서 CISPR에서 정의하고 있는 ALSE 테스트 셋업을 보여준다.
테스트하려는 장비(EUT)와 케이블 하니스를 그라운드 면보다 50mm 높게 비전도성으로 놓고 상대 유전율이 낮은 소재는(εr ≤ 1.4) 위에 놓는다. 그라운드 면과 평행인 하니스의 길이는 1.5미터이다. EUT와 부하 시뮬레이터 사이의 테스트 하니스의 총 길이는 2미터를 넘지 않아야 한다. 테스트 하니스의 긴 쪽은 그라운드 면의 가장자리와 평행하게 안테나로 연결한다. 그라운드 면은, 최소 폭과 길이를 각각 1미터 및 2미터로 하거나 또는 전체 장비의 밑면에 더해서 20mm 중에서 더 큰 쪽을 선택한다.
혼 안테나는 EUT와 나란히 놓는다. 다른 안테나들은 배선 하니스 중간에 놓는다. 모든 측정은 1미터 안테나 거리에서 실시한다. 150kHz~30MHz 주파수 범위의 측정은 수직 안테나 편파만 사용해서 실시한다. 30MHz 이상으로의 스캔은 수평 및 수직 편파를 모두 사용해서 실시한다.

[그림 4] 능동 로드 안테나(150kHz~30MHz)를 사용한 CISPR 25 복사 방사 측정 셋업

[그림 5] 바이코니컬 안테나(30MHz~300MHz) 또는 로그 주기 안테나(200MHz~1GHz)를 사용한 CISPR 25 복사 방사 측정 셋업

[그림 6] 혼 안테나(1GHz 이상)를 사용한 CISPR 25 복사 방사 측정 셋업

멀티미디어 장비에 적용되는 복사 EMI 표준

전원 전압이 600V를 넘지 않는 정보 기술(IT) 장비에는 잘 알려진 유럽 표준 EN 55022가 적용된다. 이 표준은 주로 CISPR 22 표준으로부터 도출되었으며[8], 외부 전원장치에 관한 CE DoC(적합성 선언)는 EU의 EMC 규정 2014/30/EU의 필수 요건을 충족하는 것과 관련해서 EN 55022를 언급하고 있다[9].
최근에는 CISPR 22/EN 55022를 포함시켜서 CISPR 32/EN 55032가 제정되었다[10]. 이 표준은 멀티미디어 장비(MME)에 관한 새로운 제품 계열 표준으로서, EMC 규정을 준수하기 위한 통일된 표준으로서 시행되고 있다. 주택용으로 사용하기 위한 장비는 클래스 B 한계를 충족해야 하며, 그 밖의 모든 장비는 클래스 A를 충족해야 한다. 한편으로, 북미 시장 용으로 설계되는 제품은 FCC(Federal Communications Commission) Part 15, B조, 15.109 항에서 정의하고 있는 한계가 적용된다[11].

CISPR 22/32와 FCC Part 15

표 2는 FCC Part 15에서 정의하고 있는 클래스 A 및 클래스 B 복사 방사 한계를 보여준다. 이 표준의 15.109(g) 항에서는 복사 방사에 대해서 표 3에서와 같은 CISPR 22 한계를 사용하는 것도 허용하고 있다. 두 표 모두 1GHz 아래의 주파수로 QPK 검출기와 120kHz RBW를 사용하고 있다. 표 4와 표 5는 PK 및 AVG 검출기와 1MHz 리시버 RBW를 사용해서 1GHz 이상의 주파수에 대해서 한계 요건을 보여준다.
특정한 측정 거리로, 주택용 또는 가정용 애플리케이션에 적용되는 클래스 B 한계가 상업용에 적용되는 클래스 A 한계보다 6dB~10dB 더 여유가 있어야 하므로 그만큼 더 엄격하다. 또 표 2와 표 3에서는 15.31(f)(1) 항에 따라서 역 선형 거리(1/d) 비례 계수가 20dB/디케이드라는 것을 알 수 있다. 이것은 3미터 및 10미터 안테나 측정 거리로 한계 수치들을 정규화하기 위한 것이다. 예를 들어서 테스트 시설 제약 때문에 안테나를 10미터가 아니라 3미터 거리에 놓고 테스트한다면 10.5dB를 더해서 3미터 용으로 한계를 산정할 수 있다. 그림 7은 3미터 안테나 거리일 때의 클래스 A 및 클래스 B 한계를 보여준다.

[표 2] 47 CFR 15.109(a) 및 (b) 항에 따른 복사 방사 전계 강도 QPK 한계, 30MHz~960kHz

[표 3] 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32에 따른 복사 방사 전계 강도 QPK 한계, 30MHz~1GHz

[표 4] 3미터 거리로 47 CFR 15.109(a) 및 (b) 항에 따른 복사 방사 전계 강도 한계, 960kHz~40GHz

[표 5] 3미터 거리로 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32에 따른 복사 방사 전계 강도 한계

[그림 7] 1GHz 위아래로 각각 QPK와 AVG 검출기를 사용해서 FCC Part 15 및 CISPR 22/32의 클래스 A 및 클래스 B 한계

그림 8에서 보듯이, 복사 EMI 테스트를 하기 위해서는 CISPR 16-1에서 정의한 바에 따라서 EUT와 지지 장비를 반무반향 체임버(SAC)나 야외 시험장(OATS)에서 그라운드 면보다 0.8미터 높은 비전도 턴테이블 위에 놓는다. EUT는 수신 안테나로부터 3미터 거리에 놓는다. 안테나는 안테나 타워에 탑재한다.
캘리브레이션된 바이로그 광대역 안테나를 사용한 PK 검출기 사전 스캔을 해서 수평 및 수직 안테나 편파 모두로 30MHz~1GHz로부터 방사를 검출한다. 이러한 예비 테스트를 통해서 모든 주요한 방사를 일으키는 주파수를 검출할 수 있다. 그 다음에는 문제의 대역들에 대해서 QPK 검출기 검사를 해서 최종적이며 공식적인 적합성 측정을 기록한다. EMI 리시버의 RBW는 120kHz로 설정된다.

[그림 8] FCC Part 15와 CISPR 22/32에 따른 복사 방사 측정 셋업

안테나는 수평 및 수직 편파(그라운드 면을 기준으로 90도 회전)로 구성할 수 있으며, 그라운드 면 반사를 고려해서 각각의 테스트 주파수로 전계 강도 리딩을 극대화하도록 그라운드 면으로부터 1미터~4미터 높이로 조정할 수 있다. 측정 시에 턴테이블 상에서 EUT를 0도부터 360도까지 돌려가면서 안테나-대-EUT 방위각에 변화를 주면서 EUT 방향으로부터 최대의 전계 강도 리딩을 찾도록 한다.
혼 안테나를 사용할 때는 PK 검출기 사전 스캔을 해서 1GHz 이상을 스캔할 수 있으며, 그런 다음에는 한계에 가까운 주파수대로 AVG 검출기를 사용해서 검사를 한다. EMI 리시버 RBW는 1MHz로 설정한다. 안테나가 좀더 방향성이며, 그라운드 면과 체임버 벽으로부터의 반사가 별 문제가 아니기 때문에 높이 스캔은 필요하지 않다. 그렇지만 이 주파수대에서는 EUT의 방사가 좀더 방향성이므로, 턴테이블을 360도 회전시키고 안테나는 양극화시켜 최대치 응답을 받게 한다. 측정 상한 범위는 표 6에서 보는 것처럼 EUT가 작동하는 최대 주파수에 따라서 달라진다.

[표 6] EUT 내부 클록 소스의 최대 주파수에 따른 복사 방사 최대 측정 주파수

ISM 장비에 적용되는 복사 EMI 표준

CISPR 11은 산업용, 과학용, 의료용(ISM) RF 장비의 EMI 외란에 관한 국제 제품 표준이다[12]. CISPR 11은 무선 전원 전송(WPT) 충전 장비, 와이파이 시스템, 전자레인지, 아크 용접기 같은 다양한 애플리케이션에 적용된다.
그룹 1로 분류되는 장비는, 장비가 작동하기 위해서 고의적으로 발생시키거나 또는 전도 결합을 통해서 발생되는 RF 에너지를 수반하는 모든 ISM 장비를 포함한다. 그룹 2는 소재 검사, 분석, 취급을 위해서 RF 에너지를 고의적으로 발생시키거나 사용하는 모든 ISM 장비를 포함한다.
각 그룹은 다시 2개 클래스로 구분된다. 클래스 A는 가정용 이외의 장소에 사용되는 것으로서 테스트 시설이나 설치된 그 자리에서 측정할 수 있다. 클래스 B는 가정용에 관한 것으로서 테스트 시설에서만 측정할 수 있다. 그림 9는 그룹 1 장비의 CISPR 11 복사 한계이다. 다양한 테스트 셋업에 관해서는 CISPR 11 표준 규격서에서 확인할 수 있다.

[그림 9] CISPR 11/EN 55011 그룹 1 복사 방사 한계, QPK 검출기, 테스트 시설에서 10미터 안테나 거리로 측정

일부 산업용 장비는 CISPR 11에 의거해서 EMC 테스트를 규정하고 있는 별도의 시스템 차원의 표준이 적용될 수 있다. 그러한 것으로서 IEC 62040-2는, 출력 전압이 1500VDC 또는 1000VAC를 넘지 않는 비중단 전원장치(UPS)에 대해서 EMC 요건을 정의하고 있다. 또 다른 시스템 차원 표준으로는 IEC 61800-3을 들 수 있다. 이 표준은 가변 속도 모터 구동 시스템에 대해서 방사 요건 및 테스트 절차를 정의하고 있다.
해당되는 제품 또는 제품 계열 방사 표준이 없는 경우에는 “통칭적(generic)” 방사 표준이 적용된다. 그러한 표준으로서, IEC(International Electrotechnical Commission) 61000-6-3은 주택용/상업용/경공업 애플리케이션에 적용되며[13], IEC 61000-6-4는 중공업 환경에 적용된다[14].

맺음말

최종 제품에 대해서 다양한 표준들에서 정의하고 있는 복사 방사 요건을 충족해야 한다. 표 7은 제품 분야별로 적용되는 표준들을 요약해서 보여준다.
이들 표준에서 정의하고 있는 요건들을 충족하려면, 제품을 작동하면서 발생되는 EMI를 최소화할 수 있도록 제품을 설계해야 한다. 그러므로 자체적으로 사전 적합성 테스트를 하기 위해서든 시험장에서 테스트를 하는 것을 감독하기 위해서든, 해당 표준에 대해서 충분히 이해하는 것이 필요하다.

[표 7] 제품별로 적용되는 복사 방사 표준

[참고문헌]
1. Timothy Hegarty, “The engineer’s guide to EMI in DC/DC converters (part 4): radiated emissions,” How2Power Today, April 2018 issue.
2. Timothy Hegarty, “An overview of conducted EMI specifications for power supplies,” Texas Instruments white paper SLYY136, February 2018.
3. Robert Loke and Robert Blattner, “Automotive EMI reduction techniques, applications and solutions,” TI training webinar, April 16, 2018.
4. UNECE Regulation No. 10, revision 5, “Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to electromagnetic compatibility,” October 16, 2014.
5.CISPR, CISPR 12:2007, sixth edition, “Vehicles, boats and internal combustion engines ? Radio disturbance characteristics ? Limits and methods of measurement for the protection of off-board receivers.”
6.CISPR, CISPR 25:2016, fourth edition, “Vehicles, boats and internal combustion engines ? Radio disturbance characteristics ? Limits and methods of measurement for the protection of on-board receivers,” October 27, 2016.
7. ETS Lindgren, “Automotive component EMC testing: CISPR 25, ISO 11452?2 and equivalent standards,” February 2016.
8. “Achieving low noise and low EMI performance with DC/DC switching regulators,” Texas Instruments EMI landing page.
9. European Commission, EMC Directive 2014/30/EU.
10.CISPR, CISPR 32:2015, second edition, “Electromagnetic compatibility of multimedia equipment ? Emission requirements.”
11. Code of Federal Regulations (CFR), CFR Title 47, FCC Part 15, Subpart B ? Unintentional Radiators, Section 15.109, Radiated emission limits.
12.CISPR, CISPR 11:2015, edition 6.1, “Industrial, scientific and medical equipment ? Radiofrequency disturbance characteristics ? Limits and methods of measurement.”
13.IEC, IEC 61000-6-3:2006, second edition, “Electromagnetic compatibility (EMC) ? Part 6-3: Generic standards ? Emission standard for residential, commercial and light-industrial environments.”
14.IEC, IEC 61000-6-4:2018, third edition, “Electromagnetic compatibility (EMC) ? Part 6-4: Generic standards ? Emission standard for industrial environments.”

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