전원 공급 장치의 EMI와 EMC 측정 소개 - 2부: 방사 EMI

이 블로그 시리즈의 1부에서는 주로 전도성 전자파 장해(EMI) 측정을 다뤘습니다. 2부에서는 방사 EMI 측정에 대해 설명합니다.

방사 EMI는 횡방향 전자기파 또는 정전 용량 또는 유도 커플링을 통해 자유 공간으로 전송되는 불요 전자기 에너지입니다. 시간에 따라 변하는 신호를 전달하는 회로 기판 컨덕터는 전자기 에너지를 공간으로 방사합니다. 모든 회로 기판 트레이스는 신호를 송신하거나 수신할 수 있는 실제로 안테나 역할을 합니다. 스위칭 전압과 전류가 큰 스위치 모드 전원 공급 장치는 올바르게 설계되지 않은 경우 EMI를 생성하기 쉽습니다(그림 1).

그림 1: 스위치 모드 전원 공급 장치에서 발생하는 신호에는 높은 슬루율의 광대역 전압 및 전류 파형뿐만 아니라 스위칭 주파수와 관련된 협대역 신호 및 링잉과 같은 진동 신호도 포함됩니다. (이미지 출처: Art Pini)

방사 EMI 테스트는 내장된 테스트 대상 장치(DUT)에 높은 슬루율의 스위칭 전압 및 전류를 인가하여 생성된 EMI 신호의 전자기장 강도를 측정해야 합니다.

방사 EMI 규정 준수 테스트는 DUT의 신호를 분리하는 차폐된 무반사실에서 수행됩니다(그림 2). 감지 안테나는 DUT로부터 지정된 거리(일반적으로 1m)에 있습니다. 쌍원뿔 안테나와 로그 주기 안테나가 일반적으로 사용됩니다.

그림 2: 방사 EMI 규정 준수 테스트는 DUT를 외부 RF 방사선과 분리되도록 차폐된 무반사실에서 수행합니다. (이미지 출처: Art Pini)

DUT는 접지면 위의 테이블에 있습니다. 이러한 특정 방출은 방향성을 갖는 경향이 있으므로 양호한 가시거리 내에 감지 안테나가 위치하도록 DUT를 회전판 위에 놓습니다. 감지 안테나도 움직일 수 있고 높이 조절도 가능합니다. 테스트하는 동안 가장 높은 측정 응답을 생성하는 방향이 기록되고 규정 준수 테스트의 기준으로 사용합니다. DUT와 케이블 연결은 테스트의 일부이며 케이블 하니스에 둘러싸여 있습니다.

테스트 실험실은 스펙트럼 분석기 또는 EMI 수신기를 사용하여 관심 주파수 대역을 스캔하고 테스트 한계에 가까운 방출을 찾습니다. 모든 DUT 방향과 안테나 분극에 대해 이 작업을 수행합니다. 테스트 실험실은 이러한 각 방출에 초점을 맞추고 전자기장 강도의 진폭을 정량화합니다.

Texas Instruments LM61495Q3RPHRQ1 10암페어 자동차 벅 컨버터에 대한 일반적인 방사선 방출 테스트 결과가 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3: LM61495Q3RPHRQ1 10A 벅 컨버터에 대한 CISPR 25 Class 5에 따른 일반적인 방사성 방출 테스트입니다. 피크, 준피크, 평균 감지기 응답에 대한 테스트 한계를 표시합니다. 피크(파란색)와 평균(바이올렛) 측정 응답에 대해 수집된 데이터를 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

사양에는 피크, 준피크, 평균 감지기 응답에 대한 테스트 한계가 있습니다. 준피크 응답은 발생 주파수에 따라 진폭 피크에 가중치를 부여한 응답입니다. 피크 및 평균 측정 응답을 표시합니다. 규정을 준수하기 위해서는 각각 적합한 테스트 한계 이하의 진폭을 가져야 합니다.

규정 준수 테스트는 비용과 시간이 많이 드는 절차이기 때문에 대부분의 설계자는 차폐실 외부에서 근거리 측정을 사용하여 사전 규정 준수 테스트를 수행합니다. 근거리장 측정은 Teledyne LeCroy의 T3NFP3 키트와 같은 근거리 프로브를 사용하여 DUT로부터 30.5cm 범위 안에서 이루어집니다. 근거리 프로브는 전기장 또는 자기장을 감지합니다(그림 4). 또한 근거리 프로브는 대부분의 프로브와 달리 보정되지 않으며 상대적인 측정과 방출원의 위치를 찾는 데 사용합니다.

그림 4: Teledyne LeCroy T3NFP3 근거리 프로브 키트에는 자기 프로브 3개와 전기장 프로브 1개가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Teledyne LeCroy)

T3NFP3 근거리 프로브 키트는 자기 프로브 3개와 전기장 프로브 1개로 구성됩니다. 이 프로브는 300kHz ~ 3GHz 범위의 방사성 방출을 감지하는 광대역 안테나 역할을 합니다. 자기 프로브는 루프 구조를 사용하며 직경은 20mm, 10mm, 5mm입니다. 더 큰 루프는 더 큰 감도를 가지며 방사 신호를 발견하는 데 이상적입니다. 더 작은 루프는 덜 민감하지만 방사선 소스를 찾는 데 도움이 되도록 기하학적으로 더 정확합니다. 자기장이 루프 평면에 직각인 경우 프로브 감도는 최대입니다. 이렇게 각도에 따른 감도를 사용하여 소스 방향을 결정합니다.

전기장 프로브는 단극 안테나이며 프로브의 방향을 측정 평면에 수직으로 맞추는 것이 중요합니다. 전기장 프로브는 고전압 소스와 종단되지 않은 소스를 식별하는 데 도움이 됩니다.

B&K Precision PR262는 T3NFP3과 유사하지만 40dB 전치 증폭기를 추가하여 매우 낮은 수준의 신호를 감지합니다(그림 5). 주파수 범위는 9kHz ~ 3.2GHz입니다.

그림 5: PR262 세트는 T3NFP3과 유사하지만 40dB 전치 증폭기를 추가하여 매우 낮은 수준의 신호를 감지합니다. (이미지 출처: B&K precision)

근거리 프로브의 출력은 계측기의 50옴 입력에 연결됩니다. 절연된 프로브 헤드를 PC 기판 위로 통과하면서 방사 소스를 알려주는 응답을 모니터링합니다. 자기장 프로브와 전기장 프로브는 모두 방사 EMI 신호의 소스를 확인하는 데 사용됩니다.

결론

회로 기판의 모든 트레이스가 EMI를 방사하는 실제론 안테나이며, T3NFP3과 PR262 같은 근거리 프로브를 사용하여 사전 규정 준수 테스트하는 것이 중요합니다. EMI 소스를 신속하게 감지하고 분리하여 비용이 많이 드는 공식 규정 준수 테스트를 진행하기 전에 EMI를 경감할 수 있습니다.