MLCC를 이용한 SMPS의 EMI 저감 설계
최병인·좌성훈†
서울과학기술대학교 나노IT디자인 융합기술대학원
Design of EMI Reduction of SMPS Using MLCC Filters
Byeong-In Choi and Sung-Hoon Choa†
Graduate School of NID Fusion Technology, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 01811, Korea
(Received December 4, 2020: Corrected December 22, 2020: Accepted December 30, 2020)
초 록: 최근 초고속 이더넷(ethernet)의 데이터 및 동작주파수 속도가 증가하고 있으며, 이에 따라 EMI (electromagnetic interference)가 증가하고 있다. 이러한 EMI의 발생은 주변 전자기기들에 영향을 미쳐 오동작 원인이 될 가능성이 높다. 본 연구에서는 고속 이더넷 스위치 EMI 발생의 주요 원인인 DC-DC SMPS (switching mode power supply)에서 발생하는 EMI 저감을 위해 EMI 필터를 적용하였다. EMI 필터소자는 소형화, 양산화에 장점을 가지며, 내 전압(dielectric voltage) 특성이 우수한 MLCC (multi-layer ceramic capacitor)를 사용하였다. MLCC 필터는 X-커패시터 및 X, Y-커패시터로 구성되어 있다. X-커패시터는 10 nF 및 100 nF 용량의 2개의 MLCC와 1개의 마일러 콘덴서(mylar capacitor)로 구성하였다. Y-커패시터는 용량 27 nF의 6개의 MLCC를 사용하여 구성하였다. X-커패시터만을 EMI 필터 로 적용한 경우, 전도성(conductive) EMI는 150 kHz ~ 30 MHz의 주파수 대역에서 EMI 전계강도가 허용 한계치를 초과 함을 알 수 있었다. 또한 방사성(radiative) EMI도 특정 주파수에서 EMI 전계 강도가 높고, 허용 마진폭도 매우 적음을 알 수 있었다. 반면 X, Y-커패시터를 적용하였을 경우, 전 주파수 대역에서 전도성 EMI가 크게 감소하였으며, 방사선
EMI도 충분한 마진이 확보됨을 알 수 있었다. 또한 X, Y-커패시터의 전기적인 신뢰성을 평가하기 위하여 절연 저항
(insulation resistance) 및 내전압 성능을 측정하였으며, 절연 저항 및 내저항 성능이 모두 전기적 신뢰성 기준을 만족함을 알 수 있었다. 결론적으로 MLCC 필터를 X, Y-커패시터로 사용하여 전도성 및 방사성 EMI 노이즈가 효과적으로 감소되 었고, 우수한 전기적인 신뢰성도 확보됨을 알 수 있었다.
Abstract: Recently, as the data speed and operating frequencies of Ethernet keeps increasing, electro magnetic interference (EMI) also becomes increasing. The generation of such EMI will cause malfunction of near electronic devices.
In this study, EMI filters were applied to reduce the EMI generated by DC-DC SMPS (switching mode power supply), which is the main cause of EMI generation of Ethernet switch. As the EMI filter, MLCCs with excellent withstanding voltage characteristics were used, which had advantages in miniaturization and mass production. Two types of EMI MLCC filters were used, which are X-capacitor and X, Y-capacitor. X-capacitor was composed of 2 MLCCs with 10 nF and 100 nF capacity and 1 Mylar capacitor. Y-capacitor was consisted of 6 MLCCs with a capacity of 27 nF. When only X- capacitor was applied as EMI filter, the conductive EMI field strength exceeded the allowable limit in frequency range of 150 kHz ~ 30 MHz. The radiative EMI also showed high EMI strength and very small allowable margin at the specific frequencies. When the X and Y-capacitors were applied, the conductive EMI was greatly reduced, and the radiation EMI was also found to have sufficient margin. In addition, X, Y-capacitors showed very high insulation resistance and withstanding resistance performances. In conclusion, EMI X, Y-capacitors using MLCCs reduced the EMI noise effectively and showed excellent electrical reliability.
Keywords: Electromagnetic Interference, Switching mode power supply, Filter, MLCC, Y-capacitors
†
Corresponding author E-mail: [email protected]
© 2020, The Korean Microelectronics and Packaging Society
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/
licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is
properly cited.
1. 서 론
최근 5G의 상용화 및 고속 이더넷 기술의 발달로 디지 털 회로 동작 주파수의 속도가 높아지고 있음에 따라 고 주파 노이즈 및 EMI가 크게 증가되고 있다. 통신기기에 서 발생하는 EMI는 주변 다른 전자 기기들의 오동작 원 인이 될 수 있어 대책이 필요하다.1)통신기기 및 전자기 기의 EMI는 CPU (central processing unit), 메모리 소자, 신 호선, 전원선 및 SMPS 등과 같은 곳으로부터 발생되고 있다. 이러한 EMI를 개선하기 위하여 신호선에 RC 필 터, LC 필터를 적용하고 있으며,2) PCB 설계 시 데이터 전송선, 어드레스 전송선, 발진기 전송선을 분리하는 연 구가 시도되었다.3,4) 전원선에서 발생하는 방사성 EMI의 개선을 위하여 통신 소자와 전원선 사이에 페라이트 (ferrite components)를 적용한 연구가 진행되었다.5) 또한 아날로그 시스템의 차동 신호선(differential line)에 차폐 케이블(shielded cable)을 사용하여 차단함으로써 EMI의 전계강도를 낮추는 연구가 진행되었다.6) 한편 소자 패키 지의 EMI 개선을 위하여 차폐 캔(shielding can)을 사용하 거나 EMI 페이스트 필름(EMI paste film) 등을 이용한 연 구가 활발히 진행되고 있다.7-9) 또한 디지털 신호처리를 이용하여 주파수대역을 차단시키고, 배경 잡음을 제거하 는 새로운 필터 기법 등의 연구도 최근에 활발히 진행되 고 있다.10)
이더넷 기반 통신 기술에서 많이 사용되고 있는 통신 기기 중의 하나는 이더넷 스위치이며, 이더넷 스위치의 경우 EMI는 전원 공급 장치인 SMPS에서 주로 발생하고 있다. 특히 SMPS 스위칭 노이즈에 의한 차동 모드 (differential mode) 및 공동 모드(common mode) 노이즈가 EMI 발생의 주요 요인으로 알려져 있다11). 이러한 스위 칭 소자의 EMI 개선을 위한 다양한 연구가 진행되었다.
스위칭 소자인 MOSFET (metal Oxide semiconductor field effect transistor)와 히트 싱크 사이에 페라이트 링(ferrite ring)등의 EMI필터 소자를 적용한 연구 및 SMPS 회로에 서 히트 싱크로 인한 EMI의 영향에 관한 실험적 연구가
있었다.12,13) 또한 SMPS EMI를 줄이기 위한 트랜스포머
(transformer)의 권선 방법에 대한 연구,14) 전원선과 시스 템 접지 사이에 Y-커패시터를 적용하여 EMI 노이즈를 줄 이는 연구,15) 병렬-직렬 LLC 공진형 컨버터를 이용한 EMI 저감 연구16) 및 능동형 공동모드 EMI 필터를 적용한 연 구17)등 다양한 연구가 있었다.
이더넷 스위치가 설치되는 장소는 주로 건축물의 통신 실 및 데이터 센터 등 이며, 대부분 장소가 협소하여 시 스템의 소형화가 요구되고 있다. 반면 데이터 증가에 따 라 이더넷 스위치에 사용되는 통신 및 전원 소자들의 크 기는 점점 커지고 있다. 기존 DC-DC SMPS의 전원 노이 즈 및 EMI 저감을 위한 소자로서 높은 내전압이 요구되 는 회로에서는 전해 콘덴서(electrolytic condenser), 세라 믹 콘덴서(ceramic condenser), 탄탈 커패시터(tantalum
Capacitor) 등이 사용되었으나, 내전압이 높은 이러한 소 자들의 크기가 매우 커서 시스템 소형화에 걸림돌이 되 고 있다. 본 연구에서는 DC-DC SMPS의 소형화에 유리 한 높은 내전압을 갖는 소형 MLCC 다단 필터를 적용하 여 SMPS의 EMI 발생을 저감시키고자 하였다. 특히 MLCC는 표면실장, 즉 SMT (surface mount technology) 공 정이 가능하기 때문에 대량 생산에 적합하다. 본 연구에 서 사용된 MLCC의 용량은 27 nF, 내전압은 2 kV이며, 전원선에 3단 6개의 MLCC 필터를 적용하여 전도성 및 방사성 EMI를 개선하고자 하였다. 또한 DC-DC SMPS에 서 요구되는 절연 저항 및 내전압 신뢰성 시험을 수행하 였다.
2. EMI 발생 및 필터 설계 알고리즘 2.1. 방사성 및 전도성 EMI 발생
EMI 노이즈는 Fig. 1과 같이 통신 기기로부터 방사되 는 방사성 EMI와 전원선으로부터 전도되는 전도성 EMI 로 분류할 수 있다. 전도성 EMI는 전원, 그라운드, 입력 및 출력선 으로부터 들어오는 전도성 EMI를 의미한다.
전도성 노이즈는 전원선 노이즈나 공통 임피던스, 신호 의 반사, 열에 의한 소자 특성 변화로 의한 노이즈 등이 있다. EMI 노이즈는 식 (1) 및 (2)와 같이 정의되며, 전류 의 변화율이 크면 EMI는 증가하고, 전류의 변화가 낮으 면 EMI는 감소한다.18)방사성, 전도성 EMI 개선을 위해 서는 PCB 전원선 및 신호선을 쉴드 시키고, 커패시터 및 인덕터 소자를 사용하여 저역통과 필터를 적용하는 것이 일반적이다. 저역 통과 필터는 커패시터, 인덕터 용량에 따라서 차단주파수가 변화하여 방사성, 전도성 EMI 전계 강도의 변화가 발생하여 EMI가 감소하게 된다.
(1)
(2)
전술한 바와 같이, DC-DC SMPS는 시스템 전도성, 방 EMI Ldi
dt--- Vnoise
= =
Vnoise di
dt---
=
Fig. 1. Schematic illustration of radiative and conductive EMI path.
사성 EMI를 방출하는 소스가 될 수 있다. X, Y 커패시터 는 저역통과 필터로 적용할 수 있다. X, Y-커패시터의 용 량에 따라서 저역통과필터의 차단주파수가 변화하여 자 유공간에서 방출되는 방사성 EMI전계강도의 변화가 발 생한다. 자유공간 전계강도를 표현한 퓨리스 식(Friis Formula)으로부터 SMPS에서 방사되는 전계강도 E(V/m) 는 SMPS에서 방사되는 전력 Pt(W), SMPS의 방사절대이 득 Gi, 측정 안테나와의 이격거리 d(m)가 주어진다면 식 (3)와 같이 표현된다.
(3)
X, Y-커패시터 용량을 변화시키면 저역통과 대역 삽입 손실(insertion loss)이 변화하게 되며, 식 (3) 절대이득 Gt
가 변화되어 전계강도의 변화가 일어나게 된다. 본 논문 에서는 X, Y-커패시터를 다단으로 사용하여 전도성, 방 사성 EMI를 측정하였으며, 저주파대역의 방사성 EMI가 개선되었음을 실험적으로 증명하였다.
2.2. 필터설계 알고리즘
DC-DC SMPS 전도성 및 방사성 EMI 성능 및 전기적
인 성능 개선을 위하여 Fig. 2와 같이 산업현장에서 적용 되고 있는 필터설계 알고리즘 기준으로 실험을 진행하였 다. DC-DC SMPS는 방사성 및 전도성 EMI 실험을 수행 하였으며, EMI가 기준 조건을 충족할 경우 절연 저항, 내 전압 등의 전기적인 성능을 확인하는 절차를 거쳤다. 기 준 조건을 충족하지 못할 경우 EMI 필터를 재설계 후 전 기적인 성능을 재 실험하였다. 본 연구에서는 먼저 X-커 패시터를 적용하여 방사성 및 전도성 EMI를 실험하였으 며, 설계 기준을 만족하지 못하여 필터설계 알고리즘에 맞추어 X, Y-커패시터를 적용 방사성, 전도성 EMI와 전 기적인 성능실험을 진행하였다.
3. 이더넷 스위치의 구조 및 실험방법 3.1 이더넷 스위치 및 SMPS 구조
본 연구에서 사용된 이더넷 스위치의 개략도는 Fig. 3 과 같다. 이더넷 스위치는 DC-DC SMPS 전원공급 부분, 관리 포트(management port), 이더넷 서비스를 위한 포 트, 백본 스위치와의 연동을 위한 광 포트 등으로 구성되 어 있다. 또한 DC-DC SMPS의 구조는 Fig. 4(a)와 같이 전원 입력부, 다단 X 및 Y-커패시터 EMI 필터부, 파워 모 듈(power module)로 이루어져 있다. Fig. 4(b)는 DC-DC SMPS의 사진이다. 시스템 입력전원은 +18~+75 V를 기 준으로 설계하였으며, 출력전압 +12 V, 전류용량 4.5 A로 설계하였다. 전원 모듈은 Lineage Power (KHHD004A2B) 를 사용하였다. 또한 과도한 돌입 전류(inrush current) 및 서지(surge)로부터 기기를 보호하기 위하여 폴리스위치 (polyswitch)를 사용하였다.
3.2 DC-DC SMPS PCB 적층 및 필터 구조
DC-DC SMPS의 사용된 PCB 재질은 FR4를 사용하였 으며, 2층으로 구성되어 있다. 총 두께는 1.6 mm이며, 크 기는 58 mm × 178 mm 이다. Fig. 5와 같이 PCB의 구조 는 상부 1 층과 하부 1층의 총 2 층으로 구성되어 있으 며, PCB 윗면과 아랫면의 동판 두께는 0.035 mm 이다.
DC-DC SMPS의 구동소자는 PCB의 윗면에 모두 배치되 었다. EMI 필터는 MLCC X-커패시터만을 적용한 경우 와 X-커패시터 및 Y-커패시터 MLCC를 모두 적용한 경 우에 대해서 EMI 실험을 하였다. Fig. 6은 전원 입력 단 E 30 P⋅ t⋅Gt
--- V md ( ⁄ )
=
Fig. 2. SMPS filter design flow chart.
Fig. 3. Schematic drawing of ethernet switch structure.
에 MLCC X-커패시터를 사용한 SMPS의 사진이며, Fig.
7은 전원 입력 단에 X-커패시터, Y-커패시터를 사용한 SMPS의 사진이다. X-커패시터는 1개의 마일러 콘덴서 (서룡전자)와 2개의 MLCC로 구성되어 있으며, 마일러 콘 덴서는 용량 1 uF, 내전압 250 V를 사용하였으며, MLCC (TDK사)는 용량 10 nF, 내전압 630 V와 100 nF, 내전압 250 V의 MLCC를 각각 사용하였다. Y-커패시터는 내전 압이 높은 용량 27 nF, 내전압 2 kV의 MLCC (Johanson Dielectrics사) 6개를 사용하였다.
Fig. 4. (a) DC-DC SMPS block diagram. (b) DC-DC SMPS structure.
Fig. 5. Schematic drawing of PCB layer structure.
Fig. 7. PCB using X and Y-capacitor.
Fig. 6. PCB using X-capacitor.
3.3 전도성 EMI 실험 방법
전도성 EMI의 실험은 전원선으로부터 발생되는 전자 기적 에너지를 측정하여 규격에서 규정하는 제한치를 만 족하고 있는지를 측정하는 방법이다. 본 연구는 Fig. 8과 측정을 위한 높이는 0.8 m에서 측정하였으며, 이더넷 스 위치와 LISN (line impedance stabilization networks)을 전 원선으로 연결하여 전도되는 노이즈를 측정하였다. 전도 성 EMI 측정계측기는 9 kHz ~ 3 GHz 주파수까지 측정 가능한 스펙트럼 아날라이저(spectrum analyzer) (R&S사) 를 사용하였으며, LISN은 R&S사 ENV216를 사용하였다.
전도성 EMI 규격은 Table 1과 같이 기기의 사용 환경에 따라서 Class A와 Class B로 분류할 수 있다. 본 연구에 사용한 통신기기는 옥외에서 사용하는 Class A 규격에 맞 추어 시험을 진행 하였다.
3.4 방사성 EMI 실험방법
방사성 EMI 시험은 전자파무향실에서 EMI 전용안테 나를 설치하여 시험하였다. 전자파무향실 내부 바닥은 Fig. 9와 같이 전자파 흡수제(absorber)를 제거하여 반사 되는 전자파를 측정 할 수 있게 하였으며, 측정용 안테나 와 통신 기기와의 거리는 3 m 이다. 측정 테이블을 360°
돌리면서 통신기기의 모든 면에서 방출되는 전자파의 최대치를 측정하였으며, 안테나의 높이를 수평, 수직으 로 방향을 바꾸어 방출되는 전자파의 최대치를 측정하 였다. 방사성 EMI 측정계측기는 9 kHz~6 GHz 주파수까 지 측정 가능한 스펙트럼 아날라이저(R&S사)를 사용하 였으며, TESTEK사의 TK-PA06S 증폭기를 사용하여 실 험하였다.
정보통신기기의 방사성 장해기준은 전파법에 따른 적 합성평가 요구사항에 따라 설계되어야 하며, Table 2와 같이 A Class의 장해기준은 30~230 MHz에서 Q.P(quasi- peak) 값이 50 dBμV/m 이하이어야 하며, 230~1,000 MHz 에서 Q.P 값이 57 dBμV/m 이하이어야 한다. B Class의 장해기준은 30~230 MHz에서 Q.P 값이 40 dBμV/m 이 하, 230~1,000 MHz 대역에서는 47 dBμV/m 이하이어야 한다.
4. 실험결과 및 고찰 4.1 X-커패시터 EMI 필터 적용실험
DC-DC SMPS 전원입력선로에 X-커패시터를 적용하 여, Fig. 10과 같은 회로를 구성하여 전도성 EMI 및 방사 성 EMI를 측정하였다. X-커패시터를 사용한 전도성 EMI 측정그래프는 Fig. 11과 같이 Q.P 와 Average를 측정하였 으며, 150 kHz~30 MHz 주파수 대역에서 전도성 EMI가 발생하고 있음을 알 수 있다. 즉, Table 3과 같이 0.34, 0.69, 1.5, 2.1, 26 MHz에서 전도성 EMI의 기준 값을 초과하였 음을 알 수 있었다. 다음으로 방사성 EMI를 측정하였으 며, 방사성 EMI의 측정 결과는 Fig. 12와 같다. X-커패시 터만을 적용한 방사성 EMI 측정그래프는 150~600 MHz
Fig. 8. Configuration for conductive EMI measurement method.
Table 1. Conductive EMI standard.
Frequency (MHz)
Limit (dBμV/m)
A Class B Class
0.15~0.5 Q.P 79/Average 66 Q.P 66~56/Average 56~46 0.5~5 Q.P 73/Average 60 Q.P 56/Average 46
5~30 Q.P 73/Average 60 Q.P 60/Average 50
Fig. 9. Configuration for radiative EMI measurement method.
Table 2. Radiative EMI standard.
Frequency (MHz) Limit (dBμV/m)
A Class B Class
30~230 Q.P 50 Q.P 40
230~1,000 Q.P 57 Q.P 47
Fig. 10. Circuit configuration using X-capacitor.
주파수 대역에서 EMI 전계강도가 높게 나타나고 있다.
또한 Table 4와 같이 214.8 MHz에서 최소 마진이 -2.5 dBμV/m로 측정되었으며, 155 MHz 에서는 최소 마진 -5 dBμV/m로 측정되었다. 따라서 X-커패시터만을 적용했을 경우 전도성 EMI는 기준 값을 초과하였으며, 전도성 EMI 는 기준 값으로부터 마진이 매우 적음을 알 수 있었다.
4.2 X, Y-커패시터 EMI 필터 적용실험
X, Y-커패시터를 EMI 필터로 동시에 적용하였으며, 이 경우, Fig. 13과 같이 Y-커패시터의 경우 3단 필터 6개의 MLCC를 이용하여 회로를 구성하였다. Y-커패시터는 C1~C6, 27 nF, 내전압 2 kV의 MLCC를 사용하였으며, 전 Table 3. Conductive EMI measurement results using X-capacitor.
Frequency (MHz)
Measurement (dBμV/m)
Class A limit (dBμV/m)
Margin (dBμV/m) 0.34 Average 78.0 Q.P 79/Average 66 +12.0 0.69 Average 72.0 Q.P 73/Average 60 +12.0 1.5 Average 69.0 Q.P 73/Average 60 +9.0 2.1 Average 66.0 Q.P 73/Average 60 +6.0 26.0 Average 66.0 Q.P 73/Average 60 +6.0 Fig. 11. Conductive EMI measurement graph using X-capacitor.
Fig. 12. Radiative EMI measurement graph using X-capacitor.
Table 4. Radiative EMI measurement results using X-capacitor.
Frequency (MHz)
Measurement (dBμV/m)
Class A limit (dBμV/m)
Margin (dBμV/m)
33.0 Q.P 34.0 Q.P 50.0 -16.0
155.0 Q.P 45.0 Q.P 50.0 -5.0
214.8 Q.P 47.5 Q.P 50.0 -2.5
250.0 Q.P 37.8 Q.P 57.0 -19.2
398.0 Q.P 44.0 Q.P 57.0 -13.0
610.0 Q.P 42.0 Q.P 57.0 -15.0
도성 EMI 측정그래프는 Fig. 14와 같다. 150 kHz~30 MHz 대역에서 측정된 전도성 EMI는 X-커패시터만을 사용한 Fig. 11과 비교하여 현저하게 감소되었음을 알 수 있다.
또한 Table 5와 같이 0.37, 0.72, 1.5, 10 MHz에서 최소 마 진은 17 dBμV/m으로 기준 값을 초과하지 않음을 알 수
있었다. Fig. 15는 방사성 EMI 측정의 결과이다. X-커패 시터만을 적용한 방사 EMI 측정그래프(Fig. 12)와 비교 하여 150~400 MHz 대역에서 EMI 전계강도가 현저히 감 소하였다. 또한 Table 6과 같이, 220 MHz에서 최소 마진 이 -6 dBμV/m로 측정되었다. 330 MHz에서는 Q.P 값이 42 dBμV/m, 560 MHz에서는 41 dBμV/m, 690 MHz 에서 는 Q.P 값이 38 dBμV/m로 측정되어 30~1,000 MHz 대역
Fig. 14. Conductive EMI measurement graph using X and Y-capacitor.
Fig. 15. Radiative EMI measurement graph using X and Y-capacitor.
Fig. 13. Circuit configuration using X and Y-capacitor.
Table 5. Conductive EMI measurement results using X and Y- capacitor.
Frequency (MHz)
Measurement (dBμV/m)
Class A limit (dBμV/m)
Margin (dBμV/m) 0.37 Average 49.0 Q.P 79/Average 66 -17.0 0.72 Average 37.0 Q.P 73/Average 60 -23.0 1.5 Average 34.0 Q.P 73/Average 60 -26.0 10.0 Average 42.0 Q.P 73/Average 60 -18.0
에서 방사성 EMI 기준 값에 대한 충분한 마진을 확보하 였음을 알 수 있었다. 따라서 X, Y-커패시터를 적용했을 경우 전도성, 방사성 EMI 마진을 충분히 확보할 수 있음 을 실험을 통하여 알 수 있었다.
DC-DC SMPS는 통신기기 전원을 공급해주는 역할을 하며, 전기적인 신뢰성을 갖추어야 한다. 전기적인 신뢰 성의 대표적인 실험 항목은 돌입 전류(inrush current), 출 력 리플 전압(output ripple voltage), 절연 저항성능, 내전 압성능 등이 있다. 본 연구에서는 X, Y-커패시터를 적용 한 경우에 대하여 Table 7과 같은 신뢰성 실험을 진행하 였다. 측정 계측기로는 돌입 전류 및 출력 리플 전압은 Tektronix사 TDS5054 오실로 스코프를 사용하였으며, 절 연 저항과 내전압 실험은 KIKUSUI사 TOS9201을 사용 하였다. 절연 저항의 측정은 측정 계측기로 부터 DC 500 V의 전원을 전원부와 접지부에 입력한 후, 절연 저항의
측정값을 확인하였다. 내전압 실험은 누설전류 10 mA이 하에서 0 V~2 kV까지 DC전압을 증가시켜 측정하였다.
Fig. 16은 절연 저항 및 내전압 실험을 위한 구성도이다.
MLCC X, Y-커패시터 필터를 적용한 SMPS는 이더넷 스 위치에 용량에 맞추어 설계되었으며, 전기적 성능의 실 험은 이더넷 스위치에 적용하여 진행하였다. 실험결과는 돌입 전류 89 A, 출력 리플 전압은 58 mV로 SMPS 사용 하는 시스템 요구사항을 충족하였다. 내전압은 DC 2 kV 에서 통신 기기가 파괴되지 않았으며, 절연 저항은 99.9 GΩ으로서 기준을 충족하고 있음을 알 수 있었다. 따라서 X, Y-커패시터 적용한 SMPS의 전기적 신뢰성이 충족되 고 있음을 확인하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 고속 이더넷 스위치의 EMI 발생의 주요 원인인 SMPS의 EMI 저감을 위하여 EMI 필터를 적용하 였다. 특히 시스템의 소형화 및 양산화에 장점을 갖는 MLCC 소자를 적용하여 EMI 필터를 구현하였다. MLCC 필터는 X, Y-커패시터로 구현하였으며, PCB의 윗면에 소 자를 배치하여 SMT가 용이한 생산성을 고려한 설계를 하였다. PCB에 MLCC 소자를 적용한 후에 전도성 및 방 사성 EMI를 측정하였다. X-커패시터만을 EMI 필터로 적 용한 경우, 전도성 EMI는 150 kHz~30 MHz 대역에서 EMI 전계강도가 허용 한계치를 초과함을 알 수 있었다. 또한 방사성 EMI도 EMI의 전계 강도가 높게 측정되었고, 최 Table 6. Radiative EMI measurement results using X and Y-
capacitor.
Frequency (MHz)
Measurement (dBμV/m)
Class A limit (dBμV/m)
Margin (dBμV/m)
155.0 Q.P 42.0 Q.P 50.0 - 8.0
220.0 Q.P 44.0 Q.P 50.0 - 6.0
330.0 Q.P 42.0 Q.P 57.0 - 15.0
500.0 Q.P 40.0 Q.P 57.0 - 17.0
560.0 Q.P 41.0 Q.P 57.0 - 16.0
690.0 Q.P 38.0 Q.P 57.0 - 19.0
Table 7. Reliability test result.
Test items Measurement conditions Test Result Requirement
Inrush current Full load 89 A Selecting fuse capacity.
+12 V ripple Full load 58 mV 600 mV (System requirement)
Dielectric voltage
DC Primary –Communication ground
DC 2 kV DC 2 kV
DC Primary - Ethernet port Communication ground - Ethernet port
Insulation resistance
DC Primary - Communication ground
99.9 GΩ 100 MΩ
DC Primary - Ethernet port Communication ground - Ethernet port
Fig. 16. Configuration for insulation resistance and dielectric voltage-withstand test.
소 마진도 매우 적음을 알 수 있었다. 반면 X, Y-커패시 터를 사용했을 경우, 전도성 EMI가 현저하게 감소하였으 며, 방사선 EMI도 모든 주파수 대역에서 충분한 마진이 확보됨을 알 수 있었다. X, Y-커패시터를 사용했을 경우 에 대하여 절연 저항 및 내전압 성능을 측정한 결과, 절연 저항 및 내저항 성능이 모두 전기적 신뢰성 기준을 만족 함을 알 수 있었다. 결론적으로 MLCC 필터를 다단의 X, Y-커패시터로 사용하여 전도성 및 방사성 EMI 노이즈가 발생하는 주파수대역을 차단함으로써, EMI가 효과적으 로 감소되었으며, 전기적인 신뢰성도 우수함을 알 수 있 었다.
감사의 글
이 연구는 중소기업기술혁신개발사업인 “시스템 반도 체 패키지의 선택적 EMI 차폐를 위한 기술 개발” 과제의 지원으로 수행되었습니다.
References
1. S.-D. Kim and S.-Y. Jeong, “Electronic interference (EMI) countermeasure technology for computers and information communication devices”, The Korean Institute of Illumination and Electrical Installation Engineers, 13(4), 15 (1999).
2. M. Podbersic, V. Matko, and M. Segula, “An EMI Filter Selection Method Based on Spectrum of Digital Periodic Sig- nal”, MDPI sensor, 6(3), 90 (2006).
3. S.-H. Ryu, S.-B. Park, and S.-W. Kim, “PCB Layout Opti- mization Using External LDO for Low EMI”, Proc. Interna- tional Conference on Consumer Electronics (ICCE), Las Vegas, NV, USA, 610, IEEE (2015).
4. Y. S. Cao, Y. Wang, S. Wu, Z. Yang, and J. Fan, “PCB Edge Shielding Effectiveness Evaluation and Design Guidelines”, Proc. Symposium on Electromagnetic Compatibility. Signal Integrity and Power Integrity (EMC. SI & PI), Long Beach, CA, USA, 269, IEEE (2018).
5. A. Keenan, “Board Level EMI Suppression using Ferrite Components”, Proc. International Symposium on Electromag- netic Compatibility (EMC), Istanbul, Turkey, 1252, IEEE (2003).
6. D. Tarasov, “On Increase of Immunity to EMI in High Per- formance Analog System with Differential Signal Line”, Proc. 6th Mediterranean Conference on Embedded Comput-
ing (MECO), Bar, Montenegro, 1, IEEE (2017).
7. K. Joo, T.-R. Kim, J. W. Hwang, J.-H. Yoon, M. J. Yim, and S. Y. Jeong, “Package-Level EMI Shielding Technology with Silver Paste for Various Applications”, Proc. 67th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Orlando, FL, USA, 1736, IEEE (2017).
8. S.-W. Kim, Y.-W. Yun, G.-Y. Kim, Y.-C. Lee, and K.-S. Lee,
“Electromagnetic Shielding Effectiveness of a Soft Magnetic Film for Application of Noise Reduction In RF Range”, J.
Microelectron. Packag. Soc., 11(3), 31 (2004).
9. J. Yu, D.-H. Nam, Y.-J. Lee, and Y.-C. Joo, “Electrospun Magnetic Nanofiber as Multifunctional Flexible EMI-Shield- ing Layer and its Optimization on the Effectiveness”, J.
Microelectron. Packag. Soc., 23(2), 57 (2016).
10. J.-S. Jang and Y.-C. Kim, “Study on Elimination of EMI in ELF-Band for EPS-Based Smart TV Control”, Journal of Koraea Multimedia Society, 18(3), 401 (2015).
11. J.-S. Kim, “SMPS EMC/EMS Technology trend and counter- measure technology”, The Korean Institute of Electromag- netic Engineering and Science, 30(1), 29 (2019).
12. J. Kulanayagam, J. Hagmann, K. F. Hoffmann, and S. Dick- mann, “New Efficient Filter Design for a Heat sink”, RE&PQJ, 1(9), 581 (2011).
13. G. Felic and R. Evans, “Study of Heat sink EMI Effects in SMPS Circuits”, Proc. IEEE EMC International Symposium.
Symposium Record. International Symposium on Electro- magnetic Compatibility, Montreal, Que., Canada, 254, IEEE (2001).
14. J.-W. Lee, E.-S. Jung, K.-M. Kim, and H.-R. Yoon, “A Study on the Low Noise Medical SMPS”, Korea Academy Indus- trial Cooperation Society, 53 (2001).
15. C.-H. Jun, J.-H. Jung, J.-H. Joo, J.-Y. Lee, S.-H. Han, and H.- T Jun, “The Design Method of Y-Capacitor Reducing CM- Noise in HV Inverter Motor System”, Proc. The Korean Soci- ety of Automotive Engineers Autumn Conference and Exhi- bition, 629 (2016).
16. H.-P. Park and J.-H. Jung, “Parallel-Series LLC Resonant Converter using Spread Spectrum Technique of Switching Frequency for Suppressing EM Noise”, Proc. Korean Institute of Electrical Engineers Conference, 811 (2018).
17. Y.-C. Son and S.-K. Su, “A Novel Active Common-mode EMI Filter for Mitigating Conducted EMI”, Proc. Power Electronics Conference, The Korea Institute of Power Elec- tronics, 91 (2002).
18. N.-H. Byeon, J.-S. Lee, Y.-C. Na, and S.-K. Hong, “A Study of EMI Noise Reduction for Boost Converter Considering Circuit Design Shape”, Proc. The Korean Institute of Electri- cal Engineers Conference, 1017 (2014).
