EMI(Electromagnetic interference) 전자기잡음은 뭐지?

능동 전자기잡음 필터라고 번역하면 될라나요. 요새 EMI 필터를 만지작대고 있어서 대략 정리하는 겸 적어봅니다.

EMI는 Electromagnetic Interference라는 말로 전자기 간섭으로 볼 수 있습니다. 전자기라는 말은 전기가 있는 곳에 자기가 있고 자기 있는 곳에 전기가 있는 그런 의미라 보면 되겠죠?
전기자기의 연관성에 대해 대충 살펴보면

비오,사바르 법칙, 암페어의 법칙 : 전류가 자기장을 만드는 것
쿨롱의 법칙, 가우스 법칙 : 전하가 전기장을 만드는 것
패러데이의 법칙 : 자기장이 변하면 전기장도 변하고 그에 따라 전기도 나오는 것

뭐 기타등등 여러개가 있겠지만, 전기와 자기는 서로 발생하고 발생되어지고 거의 공존한다고 보면 됩니다.

그러다보니 내가 원하지 않는 전기잡음이 자기장으로 변해서 다른회로에 타고 그게 또 전기로 변하고 왔다갔다하면서 기기나 전파에 간섭을 일으키는걸 EMI 라고 보면 되겠습니다.

실제로 회로에 타는 EMI 노이즈는 방사성(마치 전기자기오가면서 전자파 형태로 공기중에 타고 나가는 것)과 전도성(그냥 구리선 타고 다니는 전기잡음)으로 나뉘게 됩니다.

대충 딱 봐도 전도성 잡음을 잡으면 방사성이 줄고, 방사성을 잡으면 전도성 잡음도 줄어들겠구나 생각이 듭니다. 실제 방사성 잡음을 잡는 방법은 회로 외부에 금속성 케이스를 씌우는 것으로 해결합니다. 그래도 안잡히면 전도성 잡음을 제대로 잡아줘야겠죠?

실제 EMI 잡음은 더 여러가지로 나뉠 수 있습니다.

reference : EMC 규격 및 측정방법, 김성래

Compatibility라는 말은 양립성이라는 뜻으로 EMI 노이즈가 내 기기에 들어왔을때 얼마나 잘 견디는지(immunity)와 내 기기가 EMI를 얼마나 방출(emission)인지에 대한 두 사항으로 볼 수 있습니다. 

Intra system에 C가 들어간것은 Conduction 전도성 잡음을 R이 들어간건 Radiation 방사성 잡음으로 나뉘는 거지요...

Pulsed EMI는 임펄스 신호인데 정전기나 서지성 전압 등등 기기 내부나 인체에 의해 발생되는 몇가지 현상에 대해서 구분해 놓은것입니다.

기기에 발생되는 EMI는 어떤 외부적인 요인들도 있습니다. inter system쪽을 보면 EMP(옛날 스타크래프트에서 사이언스 베슬이 쏘는 프로토스의 쉴드를 없애는), 우주잡음, 폭풍, 벼락 등등의 원인이 있습니다.

회로적으로 전도성 잡음을 잡겠다라면 아래쪽 그림의 주파수 대역을 보면 150khz~30Mhz를 보게 됩니다. 실제 EMI 규격기준을 보면 저 주파수대역만을 보게 됩니다. 그 위 주파수는 방사성으로 취급하고 이 잡음은 내 기기를 주파수 분석하겠다라며 스펙트럼 아날라이저에다가 연결하는게 아니라 어떤 거대한 전자파가 하나도 발생하지 않는 방에서 안테나를 요리조리 변경을 해가면서 측정을 하게 됩니다.(이런건 어디 자동차 공장이나 전자파를 전문적으로 측정하는 기관에서 주로 행해집니다. 장비가 워낙 고가라서...)

어찌됐든 전도성 EMI나 방사성 EMI이나 서로 동시다발적 발생인지라 타 기기에 영향을 최소화 하기 위해서 노이즈는 차단시켜주는 필터를 달게 됩니다.

SMPS나 인버터에는 큼지막한게 달립니다. 스위칭 동작이 거의 EMI 발생의 원인이기 때문입니다.

먼저 전도성 EMI를 구분하는 CM과 DM을 살펴보면 대략 이렇습니다.

연산증폭기 개념으로 보면 됩니다. 우리가 일반적으로 쓰는 선은 단상 3선식을 씁니다. 실제 두 가닥은 220V의 전원선 한가닥은 접지처리가 됩니다. 선이 두가닥밖에 없으면 220V의 한쪽에 접지를 한 것입니다.

전체 세 가닥의 선에서 좌측 그림이 DM(Differential mode), 우측이 CM(Common mode)를 의미합니다. 별거없습니다. DM은 선간에 나타나는 노이즈 전압, CM은 접지를 기준으로 두가닥에 타는 노이즈 전압입니다. CM은 실제 전원선에는 나타나지 않지만 이 녀석이 외부 기기에 치명적 영향을 주게 됩니다.

CM은 두 선이 접지에 연결이 안되면 아예 발생하지 않는다라고 볼 수 있지만 우리눈에 안보이는 기생성분들에 의해서 반강제적(?)으로 연결 됩니다. 또 기기의 외함이나 방열판을 우리가 만졌을때 감전되지 말라고 강제로 커패시터를 조그만 걸 달아놓는데, 거기로 CM 노이즈의 루프가 생기고 접지로 노이즈 전류가 질금질금 흘러들어가게 됩니다.

CM노이즈가 왜 더 문제가 되는지는 위 그림을 보면 알 수 있습니다.

DM 노이즈 전류는 선간 발생되는거라 들어가고 나오고 하는 전류 방향이 반대가 됩니다. 서로 수직방향으로 자속을 발생시키니까 DM 노이즈의 자속은 0이 됩니다.

반면 CM은 두 가닥 선에 같이 전류가 흐르니까 상쇄되는 게 없이 그냥 자속이 발생되게 됩니다. 공기를 자석으로 만드는거죠. 실제 CM 노이즈 전류가 작지만 저런 이유 때문에 방사성 노이즈의 주된 원인은 CM 노이즈가 되게 됩니다.

reference : http://www.electronicproducts.com/Passive_Components/Circuit_Protection/All_about_EMI_filters.aspx

그래서 전력변환장치 앞단에 보면 위 그림의 회로 EMI 필터가 붙어있습니다.

CM과 DM을 다 잡으려고 만든 것이죠. 보면 다 LC 필터로 저역통과필터입니다. 설명을 간단하게 해보면 이렇습니다.

Cx로 써있는게 DM을 잡는 커패시터 Cy라고 써있는게 CM을 잡는 커패시터입니다. 이를 각각 x캡, y캡이라고 부릅니다. y캡의 경우에는 노이즈차단도 중요하지만 C값이 너무 커버리면 누설전류가 너무 커집니다(일종의 손실같은). 그래서 어떤 한계값들이 있습니다.

LCM1과 LCM2는 같은 방향으로 감아놓은 트랜스포머입니다. 저렇게 해놓으면 DM은 자속에 기여하는바가 없고 CM만 인덕터 성분이 됩니다. LCM1 LCM2가 CM 인덕터가 되겠지요.

저 회로에는 보이지 않지만 트랜스포머(변압기)에는 누설 인덕턴스성분이 생깁니다. 내가 원하지 않은 인덕턴스로 자성체(코어)에 발생되는 자속 말고 공기중이나 보빈, 회로판에 서로가 결합되지 않은 인덕턴스가 생기는 것입니다. 결합안된 인덕턴스는 DM에 동작을 하는 인덕터가 되는것입니다. 그렇게 보면 CM과 DM에 각각 LC필터가 붙은 것처럼 보이게 됩니다.

이렇게 만든게 수동소자들로만 만들었다고 수동 EMI 필터라고 부르게 됩니다.

다음번에 적을 땐 스위칭 소자에서 어떻게 노이즈가 발생되는지와 능동소자로 만들어진 필터를 좀 만지작 댄다음에 써봐야겠네요... ^^