Virgin Galactic SpaceShipTwo의 걸림돌이 된 EMI와 그 방지책

Virgin Galactic의 최근 수익 결산 보고서에서 “12월 시험 비행 중, 온보드 로켓 모터 컴퓨터의 연결이 끊어져 점화 시퀀스가 시작되면서 로켓 모터가 멈췄다. 문제를 파악한 결과, 전자파 장해로 인해 컴퓨터가 재부팅된 것으로 보인다.”는 내용을 읽으면서 . . . 전자 시스템에서 전자파 방해(EMI 또는 무선 주파수 장해(RFI)라고도 함) 문제를 해결하는 일의 중요성을 새삼 깨닫게 되었습니다. 보고서에 따르면, 새로운 비행 제어 컴퓨터 시스템이 설치되었으며, 이 시스템이 테스트 대상 중 하나였습니다.

보고서는 계속해서 “EMI는 항공 우주 분야에서 흔히 발생하는 당면 과제이다. 1월에는 EMI를 낮추고 특정 시스템을 보다 효과적으로 보호하기 위한 수정사항을 적용했다. . . 작업 완료를 위한 예상 소요 시간은 8주 ~ 9주이므로 다음 시험 비행은 5월에 진행할 예정이다[원래 2월 예정].”라고 덧붙였습니다.

그림 1: 2019년 초음속 시험 비행을 마치고 지구로 귀환하는 Virgin Galactic의 SpaceShipTwo(VSS Unity) (이미지 출처: Virgin Galactic)

EMI에 관련한 문제 해결은 복잡할 수 있습니다. 비행 중단의 원인이 된 새로운 제어 컴퓨터 시스템의 재부팅은 EMI로 인해 발생한 것으로 밝혀졌지만, 추가적인 데이터가 없으면 실질적인 원인이 EMI라고 판단한 근거가 무엇인지, EMI가 시스템에 정확히 어떤 영향을 미쳤는지 알기가 어렵습니다. 어쨌든, 이 사례는 효과적인 설계에서 EMI 감지와 완화 조치를 구현하는 것이 얼마나 중요한지 분명히 보여줍니다. 하지만 모든 EMI의 발생을 방지하기는 쉽지 않기 때문에 다음 단계는 감지 시 피해를 완화하는 것입니다.

EMI 필터링

다행히 설계자에게는 신호 및 데이터 회선, EMI 방출 제어를 위한 전원 입력 필터, 맞춤형 RF 필터링 솔루션을 위한 일반적인 EMI 필터링 부품 키트 등 EMI를 처리하기 위한 다양한 옵션이 있습니다. 세 가지 옵션을 각각 Bourns, TE Connectivity Corcom Filters, TDK 제품을 예로 들어 살펴보겠습니다.

EMI 네트워크 필터: 컴퓨터, 통신 장비, 오디오 및 비디오 장비, 산업 시스템 설계자는 10가지의 25dB 감쇠 범위를 제공하는 Bourns의 EMI T 네트워크 필터를 사용할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 설계자에게 10가지의 25dB 감쇠 범위와 우수한 고주파 잡음 필터링을 제공하는 EMI T 네트워크 필터 (이미지 출처: Bourns Inc.)

T 네트워크 필터의 감쇠 주파수 범위는 EMI220T-RC의 경우 800MHz ~ 1000MHz, EMI103T-RC의 경우 15MHz ~ 200MHz입니다. 회로 기판 또는 서브 회로가 특정 EMI 주파수 범위에 취약한 경우, 이러한 소형 필터 중 하나를 추가하면 문제를 완화할 수 있습니다.

전원 입력 필터: 스위칭 전력 컨버터로 인해 상당한 EMI가 발생할 수 있습니다. 표준 전원 입력 필터를 사용하면 우수한 필터링과 다양한 수준의 EMI 완화를 제공할 수 있습니다. 기존 필터를 성능이 더 우수한 필터로 교체하면 유해한 EMI 방출을 차단할 수 있습니다.

TE Connectivity Corcom Filters의 X, Y, Z 계열을 통해 대부분의 디지털 장비(스위칭 전원 공급 장치 포함)는 특정 EMI 방출 한도를 충족하기 위한 3가지 수준의 성능을 제공합니다. 구체적인 내용은 다음과 같습니다.

• X 계열은 FCC Part 15J, B급 전도성 방출 한도를 준수하도록 설계되었습니다.
• Y 계열은 EN55022, 레벨 A와 FCC Part 15J, B급 전도성 방출 한도를 준수하도록 설계되었습니다.
• Z 계열은 EN55022, 레벨 B와 FCC Part 15J, B급 전도성 방출 한도를 준수하도록 설계되었습니다.

필터는 스루홀 기판 실장 또는 외부 실장 구성으로 제공됩니다(그림 3).

그림 3: 기판 실장(왼쪽) 및 외부 실장(오른쪽) 형식으로 제공되는 TE Connectivity Corcom 전원 입력 필터 X, Y, Z 계열 (이미지 출처: TE Connectivity Corcom Filters)

예를 들어 3EXP(왼쪽)는 스루홀 실장용으로 구성된 3A, 저누설(0.5mA 미만), 250V AC 단상 전력선 필터입니다.

맞춤형 RF 필터 설계를 위한 키트

물론, EMI 문제는 새로운 컴퓨터 시스템이 인접한 다른 하위 시스템(예: RF 섹션)에서 발생하는 방출에 대한 민감성이 증가하여 나타나는 결과일 수 있습니다. 표준 필터를 사용하여 전원 공급 장치 EMI 문제를 해결하곤 하지만, RF 섹션의 경우 맞춤형 필터 설계가 필요한 경우가 많습니다. 이와 관련하여 설계자를 지원하기 위해 TDK Corp.는 900MHz와 2.4GHz에서 작동하는 시스템을 위한 RF 필터 부품 키트인 RF-KIT를 제공합니다. 이 키트는 290개 부품으로 구성되어 있습니다. 즉, 10개의 서로 다른 표면 실장 필터 구성품(예: 발룬, 멀티플렉서, RF 필터) 각각에 대해 29개 값이 제공됩니다.

그림 4: 290 피스 RF 필터 설계 키트를 통해 900MHz, 2.4GHz 대역을 위한 맞춤형 필터 설계를 간소화하는 TDK Corp. (이미지 출처: TDK Corp.)

결론

EMI 문제는 파악과 해결이 어려울 수 있지만, 시스템 성능을 크게 저해할 수 있습니다. SpaceShipTwo의 사례와 같이, 설계 프로세스에서 가능한 한 이른 시기에 면밀히 테스트하고 EMI 문제를 파악하는 것이 중요합니다. 설계 과정 후반에 EMI 문제가 발생하면 심각한 지연이 발생할 수 있습니다. 다행히 설계자에게는 EMI 취약성과 방출 문제 모두를 완화할 수 있는 다양한 해결책이 있습니다.