로이엔텍 - 오실로스코프 Fundamentals - Part4. 오실로스코프를 활용한 EMI 디버깅 / 로데슈바르즈

오실로스코프를 활용한 EMI debugging 에 대해 알아보도록 하겠습니다.

오실로스코프를 활용하여 측정할 수 Application 중 하나는 EMI 디버깅이며, 측정의 오차를 줄이고 유효한 분석을 위해서는, EMI 와 EMI 디버깅에 대한 이해와 측정 중에 고려되어야 하는 것들에 대한 이해가 필요합니다.

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EMI?

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우선 EMI 가 무엇인지 알아보겟습니다.

EMI 는 ElectroMagnetic Interference 의 약자이며, 측정 시료에 의해 발생하는 의도되지 않고 원하지 않는 무선 방출 신호를 의미합니다. 전기로 동작하는 거의 모든 장치들은 의도치 않은 Spurious Emission 신호를 생성합니다. EMI 테스트가 중요한 이유는 이러한 방사 신호가 다른 전기 또는 전자 장치에 문제를 일으키기 때문입니다.

이러한 문제는 화면에 원치 않는 픽셀이 발생되거나 오디오 잡음과 같이 상대적으로 사소하고 성가신 효과에 이르기까지 다양하며, 경우에 따라서는 원치 않는 방사 신호로 인해 물리적 손상 또는 인명 피해 및 사망 사고로 이어지기도 합니다. 따라서, 다양한 주파수에서 허용되는 방출 수준과 관련하여 EMC 규정 및 표준이 존재합니다. 이에 따라 대부분의 전기 및 전자 장치 제조업체는 이러한 표준을 준수하는지 테스트가 필요하며, 대부분의 테스트는 특별한 안테나와 수신기를 사용하여 차폐 또는 무반향실에서 수행됩니다. 테스트 시 규격을 벗어난 방출 신호가 확인되면 추가 접지 또는 차폐를 통해 원치 않는 방사 노이즈를 줄이거나 제거할 수 있습니다.

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EMI 디버깅?

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그럼, EMI 디버깅이란 무엇일까요?

EMI Compliance(적합성) 테스트는 소위 말하는 'Far field' 환경에서 수행되며, 'Far field' 에서는 전자기 성분이 거의 동일한 magnitude(크기)를 가지는 평면파로 전파됩니다.

'Far field' 는 신호 주파수, 전송 안테나의 특성에 따라 신호 소스로부터 한 개 또는 두 개의 파장에서부터 시작됩니다.

'Far field' 에서 수행되는 적합성 테스트를 통해 임계값을 초과하는 방출 신호에 대한 문제를 확인할 수 있습니다.

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EMI 적합성 테스트와는 달리 EMI 디버깅은 'Near field' 에서 수행되며, 이를 통해 불요 방사의 원인이 어디에서 발생하는 지 (어떤 부품, 결선, 트레이스 등) 확인할 수 있습니다. 불요 방사 신호를 제거하고 측정 시료가 EMI Compliance 규정을 준수하도록 하려면 시료의 어떤 부분에서 이러한 방출이 발생하는 지 확인이 필요하기 때문입니다.

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EMI 디버깅은 세 단계로 진행됩니다.

1. 방출 신호의 감지와 특성 확인

- 방출되는 신호의 주파수와 레벨이 얼마인지 확인합니다.

- 해당 신호를 식별하는 데 도움이 되는 특성(예를 들면, 클럭 신호의 정수배 여부)을 확인합니다.

2. 방출 신호의 물리적 위치 확인

- 해당 신호 방출이 어느 부품, 결선, 트레이스 등에서 발생하는지 확인합니다.

3. 다양한 교정 기술을 통한 문제 해결

- 신호 방출을 제거하거나 적어도 줄이기 위한 접지나 차폐를 적용합니다.

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Near Field Probe

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이러한 EMI 디버깅을 수행하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 도구는 오실로스코프와 Near-field probe입니다.

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EMI 디버깅에 사용되는 Near-field 프로브는 일반적으로 오실로스코프 측정시 사용되는 Passive 또는 Active 프로브와 차이가 있습니다. Near-field 프로브는 Magnetic field (자기장) 프로브와 Electric field (전기장) 프로브로 분류할 수 있습니다.

방사 방출 신호의 레벨이 낮은 경우에는 프로브와 오실로스코프 사이에 Preamplifier(증폭기)를 추가하여 테스트 할 수 있으며, 증폭기를 사용하지 않는 경우에는 성능이 더 좋은 오실로스코프가 필요합니다. 따라서, 올바른 프로브의 선택 및 사용은 EMI 디버깅 테스트에서 매우 중요한 부분입니다.

자기장 프로브 및 전기장 프로브

 

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Magnetic field probes (자기장 프로브, H-filed probes)

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H-field 프로브는 일반적으로 둥근 Loop(고리) 모양을 하고 있으며, 최대 응답은 이 고리가 신호에서 90도 위치에 있거나, '자기장이 고리를 통과'할 때 밸생합니다. 최소 응답은 고리가 신호와 평행할 때 발생하며, 일반적으로 고리는 문제 확인 시 회전을 시킵니다. 여기서 기억할 것은 고리의 크기에 따라, Resolution(분해능)과 Sensitivity(감도) 사이에 trade-off가 있다는 점입니다.

- 큰 고리를 사용하면 Sensitivity(감도)는 좋아지지만, 공간적인 Resolution(분해능)은 낮아집니다.

- 작은 고리를 사용하면 Sensitivity(감도)는 낮아지지만, 신호 소스에 위치를 더 가까이서(면밀히) 확인할 수 있습니다.

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만약 자기장 프로브가 없는 경우에는, 일반 Passive 프로브의 접지 lead(리드)를 프로브 Tip(팁)에 연결하면 성능이 좋지는 않지만 사용할 수 있는 H-field 프로브를 만들 수 있습니다.

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위에 소개한 고리 모양의 자기장 프로브 외에도 공간 분해능이 매우 높은 Non-loop 형태의 자기장 프로브도 있으며, 이 프로브는 IC 표면 또는 Capacitor(커패시터)를 통한 전류를 확인하는 용도로 사용할 수 있습니다.

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아래 이미지에서 보면, 흰색 선으로 표시된 프로브 팁의 틈에서 자기장이 감지됩니다.

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Electric field probes (전기장 프로브, E-field probes)

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전기장 프로브는 측정하는 전기장과 평행하게 위치할 때 최대 응답을 보입니다. E-field는 대부분의 전도체에서 전도체의 표면과 직각을 이루므로, 전기장 프로브는 테스트 하는 전도체와 수직으로 배치합니다.

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광역 프로브는 표면적이 넓은 구조물에서 방출되는 전기장을 측정할 때 사용되며, 프로브의 상단은 전기적으로 차페되어 있으며, 측정은 프로브의 하단을 사용하여 이루어집니다.

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작은 크기의 Near-field 전기장 프로브는 인접한 구조물의 자기장을 억제하기 위해 차폐되어 있고, 이러한 프로브는 일반적으로 1mm 미만의 공간에도 위치시킬 수 있을 만큼 높은 공간 선택성을 가지고 있습니다. 즉, 인쇄된 회로 기판에서 하나의 좁은 트레이스의 방사 신호를 확인하는 용도로 사용이 가능합니다.

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오실로스코프의 주파수 도메인 분석

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EMI 디버깅에서 오실로스코프 사용과 관련하여 한 가지 중요한 점은 일반적으로 스코프는 진폭, 즉 시간 영역에서 전압을 확인하는 데 사용된다는 점입니다. EMI 디버깅에서는 원치 않는 방사 신호의 크기를 주파수를 기준으로 확인해야 하므로 주파수 도메인에서 측정해야 합니다. 널리 알려진 것처럼 시간 영역에서 주파수 영역으로의 변환은 FFT (Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변환)를 통해 이루어지는 데, 대부분의 최신 디지털 오실로스코프는 FFT를 지원합니다. 다만 오실로스코프에 따라 성능과 기능에는 큰 차이가 있으므로, 성능이 좋은 (예를 들면 R&S의 MXO) 오실로스코프의 사용이 필요합니다. 오실로스코프의 FFT 모드는 일반적으로 중심 주파수, 스팬, 분해능 대역폭을 설정하는 스펙트럼 분석기와 동작이 매우 유사합니다. 기본적인 FFT 동작 외에도, 스펙트로그램, 주파수 마스크 트리거 및 Peak Lists(피크 목록) 확인 기능이 포함됩니다.

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Spectrograms (스펙트로그램)

FFT 화면에서는 파워 대 주파수를 주파수 도메인에서 보여줍니다. 스펙트로그램에서는 여기에 시간 차원을 추가합니다. 즉, 파워 대 주파수 대 시간으로 화면이 표시됩니다. 스펙트로그램의 Y축은 시간을 의미하며, 파워는 색상으로 표현됩니다. 기본 스펙트로그램의 색상표에서는 파워가 높을수록 빨간색에 가깝게, 파워가 낮을수록 보라색에 가깝게 표시됩니다.

색상표 또는 색상 맵핑은 사용자의 선호도에 따라 또는 신호를 보다 명확하게 구분하기 위해 색상을 변경하는 경우가 많다는 것을 기억하세요. 또한, 스펙트로그램은 Time-varying signal (시간에 따라 변화하는 신호) 또는 Noise floor 부근에서 낮은 레벨의 연속된 신호와 같이 눈으로는 확인이 여려운 신호를 시각화해서 볼 수 있도록 도움을 줍니다.

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Frequency Mask Trigger (주파수 마스크 트리거)

일부 EMI 문제는 지속적으로 존재하는 불요 신호 또는 스퓨리어스 신호와 관련되어 있지만, 대부분의 경우에는 감지하거나 분석이 어려운 간헐적인 신호와 연관이 있습니다. (신호가 계속 존재하지 않기 때문에 문제가 발생하는 정확한 위치를 파악하기도 어렵고, 문제되는 신호를 확인하기도 어렵습니다.) 이러한 측정의 어려움은 지정된 주파수 또는 지정된 주파수 범위 내에서 사용자 정의 임계값을 초과하는 신호를 Trigger하여 해결할 수 있습니다. 이것은 일반적인 오실로스코프의 Trigger가 시간 경과에 따른 전압 변화에 따라 동작하는 방식과는 차이가 있습니다. 주파수 마스크 트리거에서는 파워 대 주파수 마스크를 정의할 수 있고, 이 마스크를 벗어난 신호가 들어오면, 트리거 동작이 중지되고 해당 부분 또는 구간에서 캡처된 데이터를 기준으로 신호를 분석할 수 있습니다.

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Peak lists (피크 목록)

EMI 디버깅 시에는 높은 레벨의 신호 또는 피크 신호는 주의 깊게 확인되어야 하는 가장 중요한 부분입니다. 이는 이런 신호들이 규정된 임계값을 위반할 가능성이 높기 때문이고, 한편으로는 진폭이 높은 신호가 진폭이 낮은 신호보다 문제를 유발할 가능성이 높기 때문입니다.

따라서, 스펙트럼에서 피크 신호를 식별하는 것은 매우 중요합니다. 피크 신호는 수동으로 스펙트럼에서 확인하거나, 커서나 마커를 사용하여 찾을 수 있습니다. 하지만, 이러한 방법은 시간이 오래 걸리고 오류가 발생하기 쉽습니다. 다행히, 대부분의 최신 오실로스코프는 가장 높은 진폭 신호와 해당 주파수를 자동으로 보여주는 Peak Search (피크 검색) 또는 Peak Lists (피크 목록) 기능을 제공합니다.

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지금 까지의 내용을 요약해 보면 다음과 같습니다

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EMI (Electromagnetic Interference, 전자기장 간섭)는 테스트 대상 장치에서 발생하는 원하지 않은 또는 의도치 않은 무선 신호 방출로 인해 발생하는 문제를 의미합니다. 대부분의 전기 및 전자 장치는 방출 되는 신호의 수준이 규격을 만족하는 여부를 확인해야 하며, 컴플라이언스 테스트는 일반적으로 챔버, 대형 안테나, 스펙트럼 분석기 또는 EMI 리시버를 사용하여 Far-field 환경에서 수행됩니다.

EMI디버깅은 EMI 테스트에서 감지한 문제를 해결하는 프로세스를 의미하며, 'Near-filed'에서 수행됩니다. EMI 디버깅에는 일반적으로 오실로스코프와 Near-field 프로브를 사용합니다. 이 때 빠르고 정확한 측정을 위해서는 적절한 Near-field 프로브 사용이 중요합니다. Near-filed 프로브에는 H-field(자기장) 프로브와 E-field(전기장) 프로브 2가지 유형이 있습니다.

오실로스코프의 FFT 기능을 통해 시간 영역에서의 측정 결과를 주파수 영역에서의 결과로 변환해 주며, EMI 디버깅에서는 파워 대 주파수 확인이 포함되므로 이 기능이 필요합니다. 또한, 오실로스코프에서 지원하는 스펙트로그램과 같은 추가적인 FFT 관련 기능, Frequency Mask triggers (주파수 마스크 트리거) 그리고, Peak Lists (피크 목록) 기능들은 EMI 디버깅에 유용하게 사용할 수 있습니다.

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EMI 디버깅 또는 EMI 디버깅 솔루션에 대해 관심이 있으시면 언제든지 연락 부탁드립니다.

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작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀

이메일 : sales.korea@rohde-schwarz.com

출처 - https://blog.naver.com/rohdeschwarzkorea/223074146832

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