올바른 커넥터 선택으로 방사 EMI와 전도 EMI 모두 제어

전자파 장해(EMI)는 많은 시스템 설계에서 발생하는 골치 아픈 문제로 이를 피할 수 없는 경우가 많습니다. EMI는 널리 만연한 치명적인 문제로, 작동 주파수가 증가함에 따라 그 영향이 더욱 악화됩니다. EMI는 공기 중에 복사되거나 신호 및 전력선을 통해 전도되어 회로에 주입되거나 안테나 역할을 하여 전송될 수 있습니다.

제품이 전자파 장해(EMI)를 발생시키거나 방사하는 경우('공격자'), 주변 시스템의 작동을 방해하여 규제 준수 테스트에 실패하거나 출시가 금지될 수 있습니다. 반대로 제품이 의도적으로 또는 의도치 않게 EMI의 수신자('피해자') 역할을 할 경우, 설명할 수 없는 간헐적 결함, 고장 및 일관성 부족의 원인이 될 수 있습니다.

이러한 문제는 생명에 위협이 되는 경우(예: 비행기 또는 병원)부터 비용이 많이 드는 경우(예: 생산 라인), 가볍게 웃어넘길 수 있는 정도(예: 무선 자전거 속도계)까지 다양합니다. 이 무선 자전거 속도계는 432MHz 대역에서 작동하는데, 무슨 이유인지 외딴 주택과, 20kV 가공선이 설치된 근처 Amtrak 철로 사이의 100야드 구간에서 계속 65MPH ~ 85MPH로 표시됩니다.

EMI의 영향을 최소화하는 방법

EMI의 출처 또는 영향을 줄이거나 제거하는 것은 간단하면서도 어려운 과제입니다. 기본 단계에는 적절한 접지, 철저한 차폐, 올바른 바이패스, 필터 사용이 필요합니다. 기본 단계 이후에는 보통 '80/20' 법칙이 적용됩니다. 즉, 80%를 제거하는 데는 20%의 노력이면 되지만, 나머지 20%를 제거하려면 80%의 노력이 필요할 수 있습니다.

인클로저 간 갭(예: 커넥터 플러그와 리셉터클을 위한 틈새)은 EMI 에너지가 양방향으로 통과할 수 있는 통로입니다. 하지만 EMI가 방사된 에너지로 인해서만 발생한다면, 차폐된 커넥터로 문제가 해결됩니다.

이 문제는 수십 년 전에 동축 케이블, 클래식 SO-239 및 PL-259 암수 커넥터, BNC 계열이 도입되면서 해결되었습니다. 하지만 이 완전히 차폐된 RF 커넥터는 커넥터당 하나의 신호만 지원하므로 DC 전력 및 RF 외 신호에는 적합하지 않습니다.

'미래로의 회귀'라는 개념이 좋은 대안이 될 수 있는데, 통신 링크 및 기타 인터페이스에서 한때 주류를 이뤘던 커넥터 유형으로 돌아가는 것입니다. 예를 들면 Molex와 같은 기업에서 개발된 D 서브미니어처(D 서브) 커넥터(그림 1)가 있습니다. USB 및 병렬 포트 이전에는 엔지니어와 많은 소비자가 이 커넥터의 9핀 버전(DB-9라고 함)을 RS-232 직렬 프로토콜의 상호 연결로 사용했습니다.

그림 1: 널리 사용되는 러기드 D 서브 커넥터 및 어댑터 계열은 다양한 접점 위치, 전기 정격, EMI 필터링 대역폭, 물리적 단자를 제공하며, pi 필터는 전도 EMI를 차단합니다. (이미지 출처: Molex)

USB 및 이더넷이 RS-232의 역할을 대부분 대체했기 때문에, 이 프로토콜은 이제 주로 레거시 시스템에서 사용되며 새로운 설계에서는 거의 사용되지 않습니다. 그럼에도 불구하고 D 서브 커넥터는 여전히 사용되고 있습니다. D 서브가 많은 사랑을 받는 데는 여러 이유가 있습니다.

• 금속 간 갭이 없도록 설계되어 전선 주변에서 100% 차폐 효과를 제공합니다.
• 기계적으로 견고하여, 결합 쌍 간에 확실한 잠금을 위해 지지대와 잭스크루를 사용할 수 있습니다.
• 9개, 15개, 25개, 37개, 50개 접점을 갖춘 모델이 제공됩니다.
• 납땜 컵, 직선 또는 직각 인쇄 회로 기판(pc 기판) 핀 등 다양한 종단 형식을 제공합니다.

차폐만으로 부족한 경우

D 서브 커넥터의 차폐는 방사 EMI 에너지 문제를 해결하지만, 전도 EMI 문제를 해결하지는 못합니다. 이것이 바로 Molex의 EMI 필터링 고성능 D 서브 pi 어댑터 및 커넥터 제품군(그림 1)이 매력적인 솔루션으로 부상하는 이유입니다.

이 커넥터는 접점에 EMI 필터를 통합하여, pc 기판에 추가 공간이나 부품이 필요하지 않습니다. 접지선과 절연선이 동일한 커넥터 내 공간이 절약됩니다. 다양한 기계적 구성 및 종단 옵션으로 설계에 맞게 선택할 수 있습니다.

통합 필터는 커넥터 쌍을 통해 전달되는 전도 EMI를 차단하여, 항공기 엔진 제어, 항공기용 무선 통신, 영상 장비, 가공 장비 및 기타 다양한 응용 분야의 중요한 상황에서 EMI를 억제합니다.

어댑터와 커넥터의 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 구조: 일체형 다이캐스팅 셸과 완전히 납땜된 내부 구조는 기계적 성능과 전기적 성능을 모두 강화하여 고진동 환경에서 고장을 방지합니다. M24308 (MIL-DTL-24308) 표준과 호환되는 커넥터이며 유리 충전 폴리에스테르 본체는 UL 94 V-0 가연성 표준을 충족합니다.
• 전기적 내구성: 이 커넥터는 항공기용 하드웨어 환경 테스트를 위한 DO-160 IV 등급까지 낙뢰 및 AC 과도 환경 조건을 견딜 수 있습니다.
• 전기 필터링: 필터는 3요소 pi 구성(콘덴서, 인덕터, 콘덴서)을 사용하여 전력 및 신호 라인에서 고주파 잡음을 흡수합니다. 가파른 감쇠 기울기는 광대역 EMI 억제를 지원합니다.
• 피드스루 커패시터: 상호 연결 지점에서 원치 않는 신호 전송을 방지하기 위해 피드스루 커패시터는 접지에 대한 저임피던스 경로를 제공합니다. 특히 기존 커패시터로는 부족한 차폐된 인클로저에서 전도성 방출을 효과적으로 줄입니다.
• 유도 소자(페라이트, 토로이드): 이러한 소자는 고주파 에너지를 흡수한 후 열로 방출하여 의도하지 않은 결합을 최소화합니다.

이러한 커넥터는 다양한 정전 용량과 다양한 열차단 주파수, 관련 삽입 손실(그림 2)을 제공하므로 EMI 필터링 열차단 주파수는 사용자가 선택합니다.

그림 2: EMI 필터링 고성능 D 서브 pi 어댑터 및 커넥터를 사용하는 사용자는 응용 분야의 요구 사항에 따라 다양한 파라미터를 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: Molex)

접점은 최대 저항이 10mΩ이고, 최대 5A(0.3A RF 전류)를 처리할 수 있으며, 모델에 따라 작동 정격 전압은 50V 또는 100V입니다.

두 가지 예

설계자가 특정 수의 접점 위치, 열차단 주파수, 실장 옵션을 요구하는 경우, 이 Molex 제품군은 9개 ~ 50개 접점 위치, 다양한 정전 용량, 다양한 종단 유형을 지원하는 커넥터 및 어댑터를 제공합니다.

예를 들어, 0732843041(그림 3, 왼쪽)은 9접점 소켓(암) 커넥터로, 100pF ~ 4000pF 정전 용량 옵션과 직접 전선 연결을 위해 설계된 납땜 컵 종단을 갖추고 있습니다. 다른 옵션으로는 0732840290(그림 3, 오른쪽)이 있으며, 정전 용량 옵션은 동일하지만 pc 기판에 직접 납땜할 수 있도록 두 줄의 직각 핀 종단을 갖춘 25접점 플러그(수) 커넥터입니다.

그림 3: 9접점 0732843041 소켓(암) 커넥터(왼쪽)에는 개별 전선을 연결하기 위한 납땜 컵이 있습니다. 0732840290은 25접점 플러그(수) 커넥터(오른쪽)로, pc 기판에 납땜할 수 있도록 두 줄의 직각 핀 단자가 있습니다. (이미지 출처: Molex)

결론

경험이 풍부한 엔지니어는 커넥터가 다른 능동 소자 부품이나 수동 소자 부품과 마찬가지로 제품의 성공에 중요하다는 것을 잘 알고 있습니다. Molex의 EMI 필터링 고성능 D 서브 pi 어댑터 및 커넥터는 연결성 그 이상을 제공합니다. 뛰어난 방사 및 전도 EMI 감쇠 효과를 제공할 수 있는데 이를 통해 설계 불확실성을 줄이고 원치 않는 EMI 문제를 방지할 수 있습니다.

관련 내용

1: 커넥터 기본 사항

https://www.digikey.com/en/blog/basics-of-connectors

2: EMI 및 RFI 제어

https://www.digikey.com/en/maker/blogs/2024/taming-emi-and-rfi

3: EMC 및 EMI란?

https://www.digikey.com/en/blog/what-are-emc-and-emi

4: 전원 공급 장치의 EMI 및 EMC 측정값 소개 - 1부: 전도성 EMI

https://www.digikey.com/en/blog/an-introduction-to-emi-and-emc-measurement-of-power-supplies-part-1

5: 전원 공급 장치의 EMI와 EMC 측정 소개 - 2부: 방사 EMI

https://www.digikey.com/en/blog/an-intro-to-emi-and-emc-measurement-of-power-supplies-pt-2