[PCB EMI] 차동/코먼 모드 방사 잡음 (96)

차동 모드 및 공통 모드 방사 잡음 완벽 분석

전자기 간섭(EMI)은 고속 디지털 회로나 RF 회로 설계에서 반드시 고려해야 할 요소입니다. 특히 PCB(Printed Circuit Board) 설계 단계에서 발생하는 방사 잡음은 제품의 EMC(전자파 적합성) 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 글에서는 두 가지 주요 방사 잡음, 즉 차동 모드(Differential Mode)와 공통 모드(Common Mode) 방사의 원리와 이를 줄이기 위한 설계 전략을 설명합니다.

 

방사 잡음의 발생 원리: 전류 루프가 만드는 문제

방사는 신호 전류와 그 전류가 되돌아오는 리턴 경로가 폐루프를 형성할 때 발생합니다. 이 루프는 고주파 신호에서는 마치 안테나처럼 작동해 전자파를 방사하게 됩니다. 이때 루프 면적이 클수록 방사되는 에너지도 증가하므로, 루프를 작게 설계하는 것이 기본 전략입니다.

 

차동 모드 방사: 신호 루프의 자계 방사

차동 모드 방사는 주로 신호 전류와 리턴 전류가 이루는 루프 안테나에서 발생합니다. 이 잡음은 루프 면적(A), 신호 전류(I_D), 주파수(f)의 제곱에 비례하며, 수식으로는 다음과 같이 표현됩니다:

Ed = 1.32 × 10⁻¹⁴ × (ID × A × f²) / r [V/m]

따라서 신호선과 접지면 간의 거리를 최소화하고, 리턴 전류가 가장 짧은 경로를 따라 흐르도록 레이아웃을 설계해야 차동 모드 방사를 효과적으로 줄일 수 있습니다.

 

차동 모드 잡음 저감 전략

1. 신호선과 접지면 간의 수직 간격을 좁혀 루프 면적을 최소화합니다.
2. 고속 신호선은 연속적인 GND plane 위에 배치해 리턴 전류가 안정적으로 흐르도록 합니다.
3. 고속 차동 신호는 짝을 이뤄 나란히 배치하고 임피던스를 정밀하게 맞춥니다.

 

공통 모드 방사: 접지 불균형과 케이블의 역할

공통 모드 방사는 시스템 내 접지의 불균형에서 발생합니다. 외부 케이블이나 커넥터를 통해 시스템 내부의 전위차가 외부로 전달되면, 이 전위차가 케이블을 통해 방사 안테나처럼 작용하게 됩니다. 이 방사는 주로 전계(E-field) 형태로 나타나며, 다음 수식으로 근사할 수 있습니다:

Ec = 4π × 10⁻⁷ × (Ic × l × f) / r [V/m]

여기서 I_c는 공통 모드 전류, l은 케이블 길이, f는 주파수, r은 측정 거리입니다.

 

공통 모드 잡음 저감 전략

1. GND와 케이스 간의 접지 경로를 낮은 임피던스로 구성해 전위차 발생을 억제합니다.
2. 외부 케이블에는 공통 모드 초크 필터(Common Mode Choke)를 삽입해 방사를 억제합니다.
3. 필터링 회로나 금속 실드 등을 이용해 케이블 방사에 대응합니다.

 

마무리하며

PCB 설계에서 차동 모드와 공통 모드 방사를 정확히 이해하고 원인을 차단하는 것은 제품의 EMC 성능을 확보하는 핵심 전략입니다. 루프 면적 최소화, 리턴 경로 확보, 접지 안정화, 필터링 등은 모두 설계 단계에서 선제적으로 고려되어야 합니다. EMI 문제는 단순한 부품 교체로 해결되지 않으며, 회로와 PCB 구조 전반을 아우르는 시스템적 접근이 필요합니다.