[PCB EMI] EMI 방사원 (94)

PCB 설계자가 알아야 할 EMI 방사원과 효과적인 EMC 대책

전자기 간섭(EMI)은 전자기 호환성(EMC) 확보에 있어 가장 주요한 장애 요소입니다. 특히 고속 회로를 포함한 PCB 설계에서는 EMI 방사원을 명확히 이해하고 이를 제어하는 것이 제품의 성능과 안정성 확보에 직결됩니다. 본 글에서는 EMI가 어디에서, 어떻게 발생하며 이를 최소화하기 위한 구체적인 대책을 소개합니다.

 

EMI 노이즈의 기초 이해: 방사의 원인부터 접근

EMI를 제어하려면 무엇보다 그 원인을 정확히 이해하는 것이 우선입니다. 디지털 회로나 전원 회로는 정상적인 동작 중에도 전류의 변화에 따라 필연적으로 전자파를 방사합니다. 이때의 노이즈는 전류의 크기뿐만 아니라 변화 속도(dI/dt), 그리고 시스템의 작동 주파수에 따라 결정되며, 특히 고주파로 갈수록 방사 에너지는 훨씬 커집니다.

 

EMI 방사 발생 지점: IC부터 제품 레벨까지

EMI는 회로의 모든 수준에서 발생할 수 있습니다. IC 내부에서는 전원/접지 핀의 디커플링 부족이나 내부 스위칭 잡음이 주요 원인입니다. PCB 상에서는 고속 신호선과 전원망, 불균형한 그라운드 경로가 방사 루프를 형성하게 됩니다. 완제품 단계에서는 커넥터, 케이블, 금속 하우징이 방사 경로로 작용할 수 있습니다. 각 단계에서 맞춤형 대책이 요구됩니다.

 

방사 효율과 주파수의 관계

방사되는 전자파의 세기는 신호 전류의 크기뿐 아니라 그 변화 속도에 영향을 받습니다. 특히 상승시간이 짧은 신호나 시스템 클럭이 높은 환경일수록 더 넓은 고주파 대역이 발생하며, 방사 노이즈의 위협도 함께 커집니다. 따라서 고속 디지털 회로에서는 이러한 고주파 성분이 얼마나 외부로 방사되는지를 면밀히 검토해야 합니다.

 

공통 모드 vs 차동 모드 노이즈

EMI 분석 시 반드시 구분해야 할 개념이 공통 모드(Common Mode)와 차동 모드(Differential Mode) 노이즈입니다. 일반적으로 차동 모드는 PCB 내에서 폐쇄 루프를 이루기 때문에 방사 효율이 낮습니다. 반면 공통 모드 노이즈는 넓은 루프 면적을 따라 외부로 방사되며, 실제 EMI 테스트에서 대부분의 방사를 차지하는 경우가 많습니다.

 

근접장과 원거리장: 경로와 영향의 차이

근접장(Near Field) EMI는 회로 내부에서 발생하는 전자기 유도에 의해 인접 회로나 신호선에 영향을 줍니다. 이는 흔히 크로스톡(Crosstalk)이나 전원 노이즈 형태로 나타납니다. 반면 원거리장(Far Field) EMI는 직접 전자파로 방사되어, 다른 장비나 시스템에 간섭을 줄 수 있어 인증 실패의 주요 원인이 됩니다.

 

설계 단계에서의 EMI 대책 전략

효과적인 EMI 대책은 설계 초기부터 통합적으로 접근해야 합니다. 고속 신호가 많은 시스템에서는 회로도 작성 시부터 IC의 스펙, 스위칭 특성, 필터링 구조를 고려해야 하며, PCB 설계 단계에서는 전원/접지 평면 구성, 신호 경로 최소화, 스텁 제거 등 실질적인 레이아웃 최적화가 요구됩니다. 제품 단에서는 쉴딩과 필터링을 통한 추가 대응도 필요합니다.

 

결론

EMI는 단순한 신호 문제가 아닌 전체 시스템의 안정성과 직결된 과제입니다. 회로 설계자라면 EMI 발생 메커니즘을 정확히 이해하고, 시스템 전반에 걸쳐 단계별로 대응할 수 있는 EMC 전략을 갖춰야 합니다. 이를 통해 제품의 신뢰성은 물론, EMC 인증 통과율 또한 높일 수 있습니다.