[PCB EMI] 디지털 신호의 방사 (98)

PCB 설계 시 EMI/EMC 대책의 핵심

현대 디지털 회로에서 고속 신호는 시스템 성능을 결정짓는 중요한 요소이지만, 동시에 강력한 전자기 방사의 원인이 됩니다. 특히 신호의 상승 시간(Rise Time)이 짧아질수록 고주파 에너지가 증가하면서 EMI 문제 발생 가능성도 커집니다. 이 글에서는 디지털 신호의 방사 특성과 EMI/EMC 대책을 중심으로 PCB 설계에서 고려해야 할 핵심 사항들을 정리합니다.

 

디지털 파형의 스펙트럼과 방사 에너지

디지털 신호는 구형파 형태로 동작하며, 실제로는 여러 고조파로 구성된 주파수 스펙트럼을 가집니다. 이러한 스펙트럼은 일반적으로 특정 주파수(약 1/πTR, 여기서 TR은 라이즈 타임)까지는 -20dB/decade로 감쇠하고, 이후에는 -40dB/decade로 더 빠르게 감소합니다. 따라서 짧은 라이즈 타임은 더 높은 고조파까지 방사에 영향을 미치며, 신호 무결성과 EMC 성능에 모두 관여합니다.

 

차동 모드 방사 에너지와 주파수 특성

차동 모드(DM) 방사는 신호선 간 전류가 흐를 때 발생하는 방사로, 주파수의 제곱에 비례하여 증가합니다. f = 1/πTR까지는 +20dB/decade 비율로 방사 에너지가 증가하며, 이후에는 감소하기 시작합니다. 이 전환점을 Knee 주파수라 하며, 실제로 방사 에너지 설계 기준선으로 사용됩니다. 디지털 시스템에서 빠른 트랜지션 신호일수록 Knee 주파수가 높아져 고주파 EMI 위험이 커지게 됩니다.

 

공통 모드 방사 에너지의 영향

공통 모드(CM) 방사는 신호선과 접지 간 전류의 비대칭성으로 인해 발생합니다. 차동 모드보다 훨씬 강한 방사 특성을 가지며, 특히 케이블이나 하우징 등 외부 구조물을 통해 전파되기 쉽습니다. CM 방사 에너지도 f = 1/πTR까지는 +20dB/decade로 증가하다가 이후에는 -20dB/decade로 감소합니다. 그러나 감소율이 완만하여 고주파 대역에서도 강한 방사 특성이 유지되므로, 실제 EMI 시험에서 문제를 일으키는 주범이 되는 경우가 많습니다.

 

디지털 시스템의 노이즈 디버깅

EMI 문제가 발생한 경우, 시스템의 클럭 주파수나 I/O 전환 타이밍에 맞춰 고조파 주파수를 중심으로 노이즈 분포를 분석해야 합니다. 특히 스펙트럼 분석기를 통해 클럭의 정수배 주파수 영역에서 방사 피크가 나타나는지 확인하면 문제의 원인을 추적하는 데 효과적입니다. PCB 패턴, 접지 구조, 파워 디커플링 상태 등 다각도로 검토해야 합니다.

 

EMI 방사 대책: DM과 CM의 차이 이해

차동 모드와 공통 모드의 방사 에너지 차이는 최대 10^7배에서 10^10배까지 벌어질 수 있습니다. 따라서 EMC 설계에서는 CM 방사를 우선적으로 제어해야 합니다. PCB 상에서 비대칭적인 신호 경로, 불완전한 접지층, 또는 불연속적인 리턴 패스 등이 공통 모드 전류를 유도할 수 있으므로, 이러한 요인을 적극적으로 제거해야 합니다.

 

효과적인 PCB EMI/EMC 설계 전략

EMI를 최소화하기 위해서는 설계 초기부터 전자기 환경을 고려한 전략이 필요합니다. 대표적인 대책으로는 다음과 같은 항목이 있습니다.

• 신호의 Rise/Fall Time 제어
• 리턴 경로의 일관성 유지
• 고속 신호 근처에 접지면 확보
• 공통 모드 초크 및 필터링 사용
• 보드 엣지 근처 신호 배치 회피

EMI 대책은 단순한 회로 변경만으로 해결되지 않으며, 레이아웃부터 파워 인티그리티, 시스템 그라운드 구조까지 종합적으로 고려되어야 합니다. 최종적으로는 제품의 규제 인증(예: CISPR, FCC 등) 통과와 직결되므로, 모든 설계 단계에서 EMI/EMC 관점의 접근이 요구됩니다.