Recent Trends in System-Level EMC Investigation and Countermeasure Technology for RF Interference Due to High-Speed Digital System Noise

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ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

고속 디지털 시스템 잡음에 의한 RF 시스템 간섭(RFI) 현상에 관한 시스템 레벨의 EMC 분석 및 대책 기술 연구 동향

Recent Trends in System-Level EMC Investigation and Countermeasure Technology for RF Interference Due to High-Speed Digital System Noise

구 태 완․이 호 성․육 종 관

Tae-Wan Koo․Ho Seong Lee․Jong-Gwan Yook 요 약

본 논문에서는 고속 디지털 시스템에서 발생하는 잡음에 의해 RF 시스템의 특성이 열화되는 현상(RF interference: RFI) 에 관한 시스템 레벨의 EMC 분석 기술과 주요 잡음원인 고속 디지털 시스템에서의 EMC 대책 기술을 소개하고 분석하 였다. 현재 하나의 전자기기에서 시스템 간 발생하는 EMI/EMC 문제는 더욱 심각해지고 있으며, 특히 디지털 시스템의 EMI에 의한 RFI 문제는 주요 관심 문제로 인식되고 있다. 따라서 본 논문에서는 현재까지 연구되어진 부품 레벨부터 시스템 레벨까지의 RFI 연구에 대하여 소개하고 분석하였다. 그리고 이 문제를 해결하기 위해서 주요 잡음원 중의 하나 인 고속 디지털 인터페이스에서 발생하는 공통모드 잡음의 발생 원인과 그에 대한 대책 연구에 관하여 분석하였다. 마지 막으로, 앞으로 RFI 문제를 해결하기 위한 시스템 레벨의 EMC 분석 및 대책 연구방향을 제시하였다.

Abstract

This paper presents recent trends in system-level EMC investigation and countermeasure technology for radio frequency interference (RFI) influenced by noise generated in high-speed digital system. Recently, as the only digital device can perform various roles, there are a variety of EMI/EMC problems between systems. Especially, RFI is now recognized as a major problem, which occurs by EMI caused by the digital system. Therefore, in this paper, recent trends of RFI investigation from component-level to system-level are intro- duced and analyzed. Furthermore, in order to solve the RFI problem, recent researches are presented and investigated for the occurrences and suppression methods of common-mode noise which is one of the major noise sources in high-speed digital system. Lastly, this paper suggested future research of system-level EMC analysis and countermeasure technology for RFI problems.

Key words: RF Interference, System-Level, EMI, EMC, High-Speed Digital System, Common-Mode Noise



「이 연구는 2013학년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(2013R1A1A1009871).

연세대학교 전기전자공학과(Department of Electric and Electronic Engineering, Yonsei University)

․Manuscript received August 11, 2014 ; Revised September 22, 2014 ; Accepted September 29, 2014. (ID No. 20140811-07S)

․Corresponding Author: Jong-Gwan Yook (e-mail: [email protected])

Ⅰ. 서 론

최근 디지털 기기는 사용자들의 요구에 따라 휴대성이

용이하도록 소형화되고 있으며, 정보 처리 속도 또한 빠 르게 증가하고 있다. 또한, 정보 통신 기술은 가파른 발전 을 거듭하여 어느덧 4세대 무선통신 기술인 LTE가 활발

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하게 사용 중이고, 머지않아 5세대 무선 통신 기술이 등 장할 예정이다. 이런 무선통신의 성장에 의해 언제 어디 서나 통신기기를 사용할 수 있는 환경이 갖추어졌고, 이 로 인하여 스마트 폰, 태블릿 PC와 같은 휴대용 디지털 기기 시장이 급격하게 성장하고 있다^[1]. 이러한 기술 경 향은 디지털 회로의 신호 전송 속도가 수십 Gbps까지 빨 라지도록 요구하고 있고, 고화질의 영상처리 및 입체 음향 정보 서비스의 제공은 대용량의 데이터 저장 및 전송 기 술에 기반을 두고 발전하고 있다. 또한, 하나의 전자 제품 이 다양한 역할을 함에 따라 이를 구현하기 위해 인쇄 회 로 기판(Printed Circuit Board: PCB)의 회로 밀집도가 증가 하고 있으며, 회로에 사용되는 소자들의 소형화, 집적화 및 저 전력화 현상이 나타나고 있다^[2]. 이에 따라 전자기 기의 시스템 사이에서, 또는 전자기기와 외부 전자파 사 이의 전자기적 결합(electromagnetic coupling)으로 인해 전 자기기들의 정보 손실 및 오동작 사례가 발생하고 있다^[3]. 최근 고속 디지털 시스템의 전송 속도는 갈수록 빨라 지고 있다. 인텔과 애플이 공동 개발한 고속대용량 인터 페이스 기술인 썬더볼트(thunderbolt)의 데이터 전송 속도 는 10 Gbps로 USB 3.0보다 2배가 빠른 속도를 보여주고 있다. 이처럼 빠르게 증가하고 있는 정보전송 속도는 디 지털 회로 동작 주파수의 증가를 초래하고, 동작 주파수 가 큰 디지털 클록(clock)은 시간 축에서 짧은 주기의 디 지털 신호를 의미한다. 짧은 디지털 클록은 짧은 rising/

falling time을 갖게 되고, 이는 슬루 레이트(slew rate)을 높이게 되어 디지털 클록의 전력 스펙트럼이 높은 주파 수 대역까지 광대역에 걸쳐 분포하게 한다. 따라서 광대 역에 걸친 파워 스펙트럼을 갖는 디지털 클록에 의해 유 기되는 잡음은 디지털 회로의 특성을 저하시킬 뿐만 아 니라, RF 시스템과 같은 주변 시스템에도 큰 영향을 끼쳐 온전한 동작 여부를 보장할 수 없게 된다.

그림 1은 최신 모바일 기기에서의 RF 간섭(RF Inter- ference: RFI) 현상을 보여주고 있다. 디지털 시스템에서 발생한 잡음(noise)이 RF 시스템에 영향을 주는 RF 간섭 현상은 현재 많은 문제가 되고 있다. 무선통신의 성능을 결정할 수 있는 RF 시스템의 경우, 디지털 회로의 고속 스위칭(switching)에 의한 잡음이 RF 수신 안테나에 유기 되었을 때 RF 시스템 수신감도에 영향을 주게 되며, 송신

그림 1. 모바일 기기에서의 RFI^[10]

Fig. 1. Mobile device RFI^[10].

그림 2. 디지털 시스템 잡음에 의한 RF 시스템 민감도 저 하 현상

Fig. 2. Degradation of RF system sensitivity influenced by digital system noise.

단에 있는 증폭기를 통해 잡음이 증폭되어 방사될 경우 시스템에 EMI/EMC 문제가 발생하게 된다^[4]^～[12]. 그림 2 에서 볼 수 있듯이, 비록 디지털 시스템의 낮은 클록 주파 수에 의한 잡음 성분이라도, 높은 차수의 고조파 주파수 (harmonic frequency)들이 GHz의 RF 주파수 대역에 존재 하게 되고, 이는 휴대기기의 GSM, GPS, WLAN 등의 시 스템의 signal-to-interference ration(SIR), bit error rate(BER) 특성에 큰 영향을 미치게 된다.

기존의 디지털 시스템 내의 PCB 혹은 IC 레벨의 연구 는 많이 진행되고 있지만, 디지털 시스템과 RF 시스템을 포함한 시스템 레벨의 연구가 이뤄져야 상호 시스템 간 의 간섭을 최소화하고, 시스템 성능을 최적화함으로써 전 체적인 EMC에 대한 문제를 파악하고, 이에 대한 대책을

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마련할 수 있다.

따라서 본 고에서는 하나의 전자기기에서 디지털 시스 템 잡음이 RF 시스템의 영향을 주는 RFI에 대한 시스템 레벨의 연구를 분석하고자 한다. 또한, 디지털 시스템의 주요 잡음원(noise source)이 될 수 있는 고속디지털 인터 페이스에서의 공통모드 잡음(common-mode noise)의 발생 원인과 시스템 레벨의 EMC를 보장하기 위한 대책기술에 관하여 분석하고자 한다.

Ⅱ. 디지털 시스템 잡음에 의한 RFI 분석 2-1 부품 레벨(Component-Level) 분석

디지털 시스템에서 발생하는 잡음이 RF 시스템에 유 기되는 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 잡음 이 직접 공기 중으로 방사되어 RF 시스템의 수신 안테나 나 시스템 상으로 유기되는 복사성 방사(radiated emission)이고, 또 하나는, PCB의 다양한 신호 선들이나, 접 지면, 그리고 케이블을 통해 유기되는 전도성 방사(con- ducted emission)이다. 현재 무선통신 시스템에서는 복사 성 방사에 대한 문제가 대두되고 있으며, 디지털 잡음의 복사성 방사에 의한 RFI 현상을 분석하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다. 크게 시스템의 부품 모델링(modeling)을 통한 방법과 측정을 통한 방법으로 RFI 현상을 분 석하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

모델링을 통한 방법은 디지털 시스템의 IC, I/O, 케이블 을 단일 부품으로 모델링을 하고, RF 시스템에서는 안테 나를 모델링하여 3-dimensional(3D) full-wave EM field solver를 통해 RF 안테나에 유기되는 잡음을 평가하고 분 석하는 부품 레벨(component-level)의 연구가 많이 진행되 고 있다. 대표적인 연구로, 참고문헌 [4]에서는 WCDMA 시스템의 IFA 안테나를 디자인하고, 디지털 시스템에서 고속 신호 전송에 의한 잡음이 안테나로 유기되는 현상 을 분석하고 있다. 디지털 신호는 주기적인 하나의 클록 신호와 두 개의 비주기적인 데이터 신호로 나누어서 모 델링 하였고, 다층 기판을 가정하였다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 데이터 전송 속도가 증가함에 따라 RF 안테나에 유기되는 잡음의 양이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 참고문헌 [5] 연구에서는 매크로(macro) 모델링 방

(a) 설계된 RF 안테나 시스템과 디지털 전송 회로 (a) Designed RF antenna system and digital signal circuit

(b) 클록주파수에 따른 RF 안테나에 유기된 잡음

(b) Coupled noises to the RF antenna by periodic digital clocks 그림 3. 디지털 회로 잡음에 의한 RF 시스템 성능 분석^[4]

Fig. 3. Analysis of RF system performance due to digital circuit noise^[4].

법을 통하여 RFI 분석을 진행하였고, 참고문헌 [6] 연구 에서는 디지털 회로에서 IC의 위치에 따른 RF 안테나에 대한 EMI의 영향을 분석하고, RF 시스템의 민감도(sensitivity) 저감을 최소화하는 연구가 진행되었다(그림 4).

디지털 시스템 잡음이 RF 안테나로 유기되는 현상을 시 간 효율적으로 분석하기 위해 전달함수와 채널 모델링을 통하여 간단하고 정확하며, 시간 효율적인 분석 방법을

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그림 4. 모바일 기기의 EMI 저감을 위한 IC 위치 최적화^[6]

Fig. 4. IC position optimization for reduced EMI on mobile devices^[6].

제안하였다^[7].

2-2 시스템 레벨(System-Level) 분석

앞서 소개한 연구들은 RF 안테나에서의 디지털 잡음 유기 현상을 간단한 방법으로 추정할 수 있지만, 부품 레 벨의 분석이라는 점에서 실제 복잡한 현대의 전자기기 시스템에서의 현상과는 차이가 있을 수 있다. 따라서 시 스템 레벨의 RFI 현상을 분석하기 위해서 측정을 통한 방 법이 연구되고 있다^[8]^～[11]. 참고문헌 [8] 연구에서는 노트 북 컴퓨터를 대상으로 하여 실제 RF 시스템(GSM, WCD- MA) 안테나로 유기되는 디지털 잡음을 측정하고, 분석을 통하여 잡음원을 확인하였다. 노트북 내부에서 디지털 잡 음원은 그림 5(a)에서 볼 수 있듯이, 카메라, LCD 패널 (panel), CPU, 메모리(memory) 등이다. 측정 환경은 그림 5(b)와 같이 구성하고, RF 안테나로 유기되는 EMI를 측 정한 다음, 디지털 모듈 부품들의 동작 주파수의 고조파 성분들을 계산하여 잡음원을 찾아내었다. 그림 6은 RF 안테나에서 측정된 디지털 잡음 전압을 나타내고 있다.

그리고 total isotropic sensitivity(TIS) 측정을 통하여, 디지 털 잡음에 의한 RF 시스템의 민감도에 대한 영향이 연구 되었다. 또한, 근거리 장(near-field) EM 스캐닝(scanning) 을 통하여, 잡음원의 핫스팟(hot spot)을 확인하여, 시스템 의 잡음환경을 향상시키는 방법이 제시되어 있다.

최근에는, 고 집적된 구조의 모바일 분야에서 디지털 시스템의 잡음원이 실제로 근거리 장 공간에서 RF 안테 나로 유기되므로, 이에 따른 시스템 레벨의 RF 민감도의 영향을 모델링하고 측정하는 연구가 진행되고 있다. 참

(a) 노트북 컴퓨터의 부품 구조

(a) Geometric configuration of notebook computer

(b) RF 안테나에서의 디지털 잡음 측정 setup (b) Setup for measuring digital noise on antenna port 그림 5. 디지털 잡음 영향에 의한 WWAN 분석^[8]

Fig. 5. Analysis of digital noise effect on WWAN performance^[8].

고문헌 [10] 연구에서는 휴대기기의 CMOS 카메라 모듈 에서 발생하는 잡음원이 RF의 GSM 시스템의 민감도를 저하시켜 signal to interference and noise ratio(SINR)와 BER에 미치는 영향을 근거리 장 측정과 RF 민감도 측정 을 통하여 시스템 레벨로 분석하였다. 그림 7(a)는 디지털 시스템 부품의 근거리 장 복사 성 방사를 측정하는 방법 을 나타내고 있고, 그림 7(b)는 gigaherz-transverse electromagnetic(G-TEM) cell을 이용한 RF 민감도를 측정하는 그림이다. 이 연구에서는 RF 민감도 측정과 디지털 잡음 원의 측정값 분석을 통하여 잡음원의 기준을 통계적으로 추출하였다(그림 7(c)). 이 연구에서 제안한 분석 방법은 부품 레벨과 시스템 레벨 측정의 상호관계(corelation)를 통하여 부품 레벨의 잡음원에 대한 기준을 제시함으로써,

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(a) GSM850

(b) GSM900

그림 6. WWAN 대역에서 측정된 잡음 전압^[9]

Fig. 6. Measured noise level on WWAN bands^[9].

더욱 정확하고 실용적인 RFI 분석 방법을 제시하였다.

최근 RFI에 대한 시스템 레벨의 EMC 연구에는 근거리 장에서 일어나는 디지털-RF 시스템의 잡음 유기가 문제 가 됨에 따라 이를 모델링하기 위한 연구도 활발히 이뤄 지고 있다. 대표적인 연구로 근거리장 유기에 의해 일어 나는 RFI를 평가하고 모델링하기 위해서 상호성 이론 (reciprocity theorem)을 바탕으로 하는 분해(decomposition) 방법이 제시되었다^[12]. 이 연구에서 제안한 분해방법은 잡 음원으로부터 RF 안테나의 유무에 따른 tangential EM field를 추출하고, 알고리즘으로 구현하는 방식으로, 상용 3D EM field solver와 비교하여 알고리즘의 정확성을 증 명하였다. 이 연구는 시스템 설계 시나 pre-layout 설계 및

(a) 근거리 장 잡음 측정 setup

(a) Setup for near-field noise measurement

(b) G-TEM cell을 이용한 RF 민감도 측정 setup

(b) Setup for RF sensitivity measurement using a G-TEM cell

(c) Near-field RFI 기준 (c) Near-field RFI specification 그림 7. 모바일 기기에서의 RFI 분석 방법^[10]

Fig. 7. RFI evaluation method for mobile devices^[10].

최적화 작업에는 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 예 상되지만, 실제 디지털 시스템의 다양한 잡음원과 안테나 사이의 다중 산란(scattering) 효과는 반영되지 않기 때문 에, 실제 상용 기기의 분석은 불가능하다는 한계점이 있다.

현재 디지털 시스템에 의한 RF 시스템의 간섭문제는

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디지털 시스템의 속도가 갈수록 빨라지므로 더욱더 심화 할 것으로 예상하고, 이에 관한 연구는 지속해서 진행되 고 있다. 현재까지 진행된 연구를 요약해 보면, 각 부품 레벨에서의 유기현상은 많은 연구가 이뤄져 있지만, 다양 한 부품들이 존재하는 실제 시스템과는 차이가 있다는 한계점이 있었고, 따라서 시스템 레벨의 연구가 최근에 다양하게 진행되고 있다. 대부분의 연구는 디지털 시스템 의 EMI 측정과 RF 시스템의 민감도 저하현상을 측정을 통하여 분석하고 있고, 이에 따른 잡음원을 역으로 추정 하는 방식으로 연구가 이루어지고 있다. 하나의 전자기기 에 많은 부품이 공존하는 상황에서 RF 시스템 특성 저하 의 주요 잡음원을 정확하게 찾아내는 분석 방법은 아직 은 미비한 실정이고, 이에 대한 연구가 필요하다고 판단 되며, 또한 측정에 의한 분석은 많은 시간이 요구되므로, 시간 효율적인 시스템 레벨의 모델링 및 해석 방법에 대 한 연구가 앞으로 더욱 요구된다.

Ⅲ. 고속 디지털 시스템의 잡음 원

디지털 시스템에서 RF system으로의 잡음 유기 문제는 잡음원에 대한 정확한 분석과 이에 대한 대책을 세우는 것이 효과적인 해결 방법 중 하나이다. 고속디지털 시스 템에서 주요 잡음원은 혼합 신호 회로(mixed signal circuit: MSC), 칩 레벨 회로(chip level circuit)과 전원 분배 망(power distribute network: PDN) 등이라고 할 수 있다^[4]. 디지털 신호 전송은 높은 전압과 높은 주파수에서 동작 하고 있기 때문에, MSC는 디지털 시스템의 신호 무결성 (signal integrity)을 저해시킬 뿐만 아니라, 이에 따른 잡음 이 방사되어 다른 시스템에도 큰 영향을 주고 있다. 심지 어 최근에는 신호 전송 시 낮은 전력과 빠른 속도가 요 구되고 있으므로 그 문제는 더욱더 심각해지고 있다. 그 리고 전원 무결성(power integrity) 관점에서 보면 주요 잡 음원은 PDN에서 발생하는 simultaneous switching noise (SSN)과 ground bouncing noise(GBN)이다^[13]～[18]. 수 GHz 이상의 전력 스펙트럼을 갖는 잡음의 억압은 불가능하므 로 이를 극복하기 위하여 EBG 구조가 제안되었지만, 회 로의 고집적화를 위해 사용되는 다층 기판에서는 EBG 구조의 전원면의 라우팅에 어려움이 있고, 신호의 불연속

성을 야기하여 EBG 구조를 국부적으로 적용하여 전원의 무결성을 보장하는 방법이 제안되었다^[13],[14](그림 8). 또 한, 그림 8과 같이, 최근에는 나선형 공진기를 국부적으 로 전원 면에 적용하여 전원면에서 RF-choke와 같은 특성 을 얻는 방법이 제안되어, 더욱 넓은 주파수 대역에 걸쳐 있는 잡음을 억압할 수 있게 되었다^[15],[16].

(a) 기존의 EBG^[13] (b) 국부화 된 EBG^[14]

(a) Conventional EBG^[13] (b) Localized EBG^[14]

(c) 국부화 된 나선형 공진기를 적용한 전원면^[15]

(c) Power plane using localized spiral resonator^[15]

(d) 나선형 공진기^[16]

(d) Spiral resonator^[16]

그림 8. 광대역 전원면 잡음 억압을 위한 구조들^[13]～[16]

Fig. 8. Various structures for wideband suppression of SSN on power plane^[13]～[16].

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디지털 시스템 내의 IC 회로 집적도가 급격하게 증가 하면서 기하학적으로 증가하는 I/O개수, 그리고 100 mV 까지 내려가는 마진 전압의 감소는 IC 칩에서의 전자파 방사 문제를 발생시키는 주 요인이 되고 있다. 따라서 IC 회로에서의 EMC 대책기술에 대한 연구가 활발히 연구되 고 있다^[19].

본 고에서는 고속디지털 회로에서 높은 데이터 전송 속도에 의해 차동신호 전송(differential signaling)에서 발 생하는 공통모드 잡음의 발생 원인과 그 대책에 대해서 정리하여 살펴보고, 앞으로의 연구 방향에 대하여 언급하 고자 한다.

3-1 공통모드 잡음 발생 및 방사 원인

많은 양의 데이터를 처리하기 위하여 병렬 전송 방식 이 등장하기도 하였으나, 신호 병목 현상 등의 문제점이 발생함에 따라 직렬 전송방식으로 대체되었다. 그러나 끊 임없이 증가하는 데이터 전송률을 따라 가기에는 직렬 전송 방식의 한계가 명확하였다. 따라서 직렬 전송 방식 에서 해결하기 어려운 문제들을 극복할 수 있다는 점에 서 차동 신호 전송이 사용되기 시작하였다^[20]. 두 신호 선 에 각각 위상이 180도 차이가 나고, 크기가 같은 신호를 입력하였을 때, 한 신호 선과 접지 사이에 생성되는 모드 (mode)는 odd 모드이며, 신호선과 신호선 사이에 생성되 는 모드는 차동 모드라고 정의한다^[21]. 두 신호의 차를 전 송하는 방법으로 인해 공통 모드 잡음을 제거할 수 있고, 낮은 레벨의 crosstalk를 발생시킴에 따라 EMI 발생 또한 감소하는 장점이 있어 현재 고속 디지털 회로에서 중요 한 전송 방법의 하나로써 사용되고 있다. 그림 9에서 볼 수 있듯이, 차동 모드 전송을 사용하는 PCI Express, Gi- gabit Ethernet, USB, SATA, HDMI, Thunderbolt 등과 같은 고속 직렬링크에서는 5 Gbps 이상의 데이터 전송률을 가 진다. 특히 차동모드 신호전송은 단일 전송 방법에 비해 저 전압의 신호를 이용할 수 있으며, 신호의 열화를 줄이 면서 고속 데이터 전송을 가능하게 하므로 휴대기기 PCB 의 고속 디지털 인터커넥트(interconnect) 방법으로 주로 사용되고 있다.

하지만 실제 시스템 회로에서는 이상적인 차동 신호 선과는 달리 소자 배치 문제나 공간 최적화 문제 등으로

그림 9. 최근 고속 디지털 시스템의 데이터 전송률 추이^[22]

Fig. 9. Recent trends of data transfer rate in high-speed digital systems^[22].

그림 10. 차동모드 신호전송에서의 공통모드 잡음 발생

매커니즘^[20]

Fig. 10. Mechanism of common-mode noise generation on the differential-mode signaling^[20].

인해 두 개의 신호 선에 불균형이나 비대칭이 생길 수밖 에 없다. 이러한 차동 신호선의 비대칭은 모드 변환(mode-conversion)에 의한 공통모드의 전류(common mode current)가 차동 신호 선에 흐르게 하여 공통 모드 잡음을 발 생시킨다(그림 10). 이 대칭성이 깨지는 것의 주요 원인으 로는 스큐(skew)의 차이, 신호의 rise/fall time의 차이, 두 회로의 제작상의 차이(tolerance) 등이 해당할 수 있다. 이 러한 대칭성의 차이는 신호 자체의 무결성에도 영향을 주지만, EMI/EMC 측면에서도 큰 영향을 줄 수 있다^[19]. 또한, 다층 PCB의 전원/접지면 공진이나 전자기기의 PCB 에 위치한 수많은 칩과 소자들에게서 나오는 외부의 공 통모드 잡음이 동위상의 잡음 전압을 차동 신호 선에 유 기시킬 수 있다. 이렇게 차동 신호선에 유기된 공통모드 잡음은 균형을 이루고 있는 차동 신호선에 불균형을 야 기시켜 전송 특성의 열화와 인접한 전송 선로 또는 시스

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템에 RFI와 같은 영향을 미칠 수 있다.

3-2 공통모드 발생 및 방사 메커니즘에 관한 연구 차동 모드의 비대칭성에 의한 공통 모드 방사 메커니 즘을 살펴보기 위한 연구들이 최근까지 많이 진행되고 있다. 대부분의 연구는 공통모드가 발생할 수 있는 상황 을 모델링하고, 측정을 통하여 모드변환에 의한 신호 무 결성 특성 저하와 EMI 발생 현상을 증명하였다. 1994년 에 발표된 연구에서는 두 개의 등가 모델을 분석하여 차 동 모드-공통 모드 변환(differential-mode to common-mode conversion)의 기본 메커니즘에 대해서 분석하였다. 이와 유사하게 공통모드 전류를 등가 모델화 하여 모드 변환 을 분석하는 연구들이 많이 진행됐고^[26]^～[28], 대표적으로 비대칭 차동 모델(imbalance difference model)을 사용하여 차동모드의 전류와 전압이 공통모드로 변환되는 현상을 분석하고, 그 영향에 의한 복사성 방사를 추측하고 평가 하는 연구가 진행되었다^[26]. 이들 연구는 차동모드의 비대 칭성에 의한 EMI 영향을 이론적으로 분석하였으며, 최근

그림 11. 비대칭 차동 신호선의 다양한 구조^[27]

Fig. 11. Asymmetric structures of differential signal line^[27].

에는 그림 11에서 볼 수 있듯이, 실제 설계 시 일어날 수 있는 차동 신호선의 다양한 비대칭 구조에 대하여 EM 방 사 특성과 전송 특성을 분석하고, 그 메커니즘에 관해 설 명하는 연구들이 많이 진행되고 있다^[27]. 그림 12의 결과 를 살펴보면, 신호 선의 전송 특성에 나타나듯이, 길이의 차이가 증가함에 따라 차동-공통모드 변환이 훨씬 많이 이뤄지는 것을 볼 수 있고, 측정된 원거리 장(far-field)의 세기 역시 비대칭이 심할수록 방사되는 양이 상대적으로 많아지는 것을 확인할 수 있다. 이 연구를 통해서, 실제 고속 디지털 시스템의 차동 신호선 설계 시에 모드 변환

(a) Scd21

(b) 측정된 far-field 전기장 세기 (b) Measured far-electric field 그림 12. 비대칭 형태에 따른 차동신호의 특성^[27]

Fig. 12. Performance of various asymmetric differential lines^[27].

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에 의한 EMI를 감소시키기 위한 신호선 설계가이드는 설 명되어 있지 않지만, 등가회로 분석을 제공함으로써 구조 적 통찰과 실제 설계 시 고려되어야 할 요인들을 쉽게 예 상할 수 있다. 참고문헌 [28] 연구에서는 실제 설계 시 발 생할 수 있는 bend routing을 모델링하여 이에 따른 신호 무결성의 영향과 EMI에 대하여 분석하고 있으며, 실제 측정을 통하여 밴드 부분의 불연속이 모드 변환으로 이 어지고, 이것은 곧 EMI의 주요 원인이 된다는 것을 보여 주고 있다. 참고문헌 [29] 연구에서는 차동모드 신호선의 스큐 분석을 통하여, 고속 신호 전송 시 스큐 현상이 전송 손실과 모드 변환에 의한 차동모드 전송의 심각한 왜곡 을 가져올 수 있다는 것을 증명하였다.

차동 신호선이 대칭 구조로 완벽히 설계되었을지라도, 실제 다층 PCB 기판에서 신호 선이 비아 전이(via tran- sition) 때문에 신호가 전송될 때 비아에 의한 불연속 점 에서 차동-공통 모드 변환이 일어나고, 또는 신호선 주변 의 guard trace나 비아 홀(via hole) 등과 같은 신호 선 주변 이 대칭성 있게 설계되지 않는다면, 이 영향으로 인하여 신호선의 대칭성이 유지되지 않아 신호의 손실과 EMI를 발생시킬 수 있다^[30],[31]. 그림 13에서는 접지 비아가 차동 신호 선에 비대칭으로 위치되었을 때, 모드 변환이 일어 나는 것을 확인할 수 있고, 신호 선에 접지 비아가 가까이 위치할수록 더욱더 모드 변화가 심하게 일어나는 것을 볼 수 있다^[30]. 최근 연구에서는 실제 상용 휴대기기 고속 디지털 시스템인 mobile high definition link(MHL) 시스템 의 인터커넥터 분석을 통해 비대칭 구조가 신호 무결성 에 미치는 영향을 잘 나타내주고 있다^[31]. 이 연구에서는 물리적으로 매우 큰 구조를 갖는 상용 MHL 시스템의 시 뮬레이션 분석을 위해 divide-and-conquer 방법을 사용하 였다. 이 방법은 전체 시스템의 구조를 시뮬레이션하기에 는 시간과 메모리상의 제약이 따르므로 그림 14와 같이, block 간의 커플링이 약해 신호 간 crosstalk 및 전송 특 성에 영향을 주지 않은 부분을 선정하여, 여러 개의 block 으로 나누어 시뮬레이션하는 방식이다. 분석된 각각의 부분을 회로 시뮬레이션(circuit simulation)을 통하여 전 체 전송 특성을 분석하고, 이렇게 주파수 축에서 분석된 결과를 바탕으로 시간 축의 time domain reflectometry (TDR) 방법을 분석하였다. 이 방법은 주파수 축에서 신 호의 전송 특성 및 커플링 현상을 분석함과 동시에, 시

(a) 비대칭 접지 비아가 있는 차동모드 신호선 (a) Differential line with asymmetric ground via

(a) 모드 변환 특성

(a) Mode conversion characteristic 그림 13. 비대칭 접지 비아에 따른 모드 변환^[30]

Fig. 13. Mode conversion due to asymmetric ground via configuration^[30].

그림 14. Divide-and-conquer를 이용한 3D EM 시뮬레이션 분석^[31]

Fig. 14. Analysis of 3D EM simulation using divide and conquer method^[31].

간 축에서의 신호의 무결성 및 전원의 무결성을 분석할 수 있다. 분석 결과, 그림 15에서 볼 수 있듯이 차동 신호

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(a) 비대칭 구조가 있는 차동모드 신호선 (a) Differential line with asymmetric structures

(b) TDR 결과 (b) TDR results

그림 15. 비대칭 구조에 의한 차동신호선의 특성 변화^[31]

Fig. 15. Differential line performance due to asymmetric structures^[31].

선 주변의 비대칭 구조들(guard trace, 비아 홀)은 차동 신 호의 특성 임피던스의 불연속점을 만들게 되고, 이것은 특정 주파수의 공진현상을 발생시키고, 결국 이것이 방사 될 경우 EMI의 문제를 일으킬 수 있다는 것을 보여주고 있다.

앞서 살펴본 것처럼 현재 사용되고 있는 고속 디지털 회로에서의 인터커넥트는 수십 Gbps 이상의 데이터 전송 률이 필요하며, 고속 인터커넥트에서의 전송 선로 설계가 불완전할 경우, 주파수가 증가함에 따라 손실 및 잡음의 유기가 더욱 빈번하게 발생하며, 잡음에 높은 면역성을

갖는 차동모드 전송에서조차 모드 변환 현상에 따라 공 통 모드 잡음이 발생할 수 있다. 이 잡음은 하나의 전자기 기에서 여러 가지 경로로 다른 시스템에 영향을 미칠 수 있으며, 특히 RF 시스템으로 유기될 경우 주요 잡음원이 되므로, 이에 관해서 공통 모드 잡음 문제를 해결하고, 다 른 시스템으로의 잡음 유기 현상을 극복하기 위하여 시 스템 레벨의 EMC 대책 설계가 필요한 실정이다. 따라서 다음 장에서는 공통모드 잡음에 대한 EMC 대책 설계에 대해서 살펴보고자 한다.

Ⅳ. 고속 디지털 시스템에서의 공통모드 잡음 대책 고속 디지털 시스템 인터페이스에서 발생하는 공통모 드 잡음 문제를 해결하기 위하여 현재까지 연구된 대표 적인 대책 설계로는 크게 두 가지가 있다. 공통모드 잡음 제거 필터 설계와 차동 모드 신호선의 비대칭성을 보상 하기 위한 신호선 구조 설계이다.

공통모드 잡음 필터기술은 다음의 두 가지를 만족해야 한다. 첫 번째로, 잡음을 억제하는 주파수 대역이 넓어야 하고, 두 번째로 차동 신호 선에서의 낮은 삽입손실과 위 상(phase) 왜곡이 보장되어야 한다. 이 중, 광대역 주파수 설계는 고속 디지털 시스템으로 유기되는 잡음의 고조파 (harmonic) 성분을 고려한 것으로써, 더욱 안정적인 차동 모드 전송을 위한 제반 사항이다.

이러한 공통모드 잡음을 제거하는 일반적인 방법으로 는 높은 투자율을 갖는 페라이트 코어(ferrite core)를 이용 한 쵸크(choke)를 이용하는 것이다^[32]. 이와 같은 공통모 드 쵸크는 페라이트의 재료적 특성 때문에, 낮은 주파수 에서 그 효과를 얻을 수 있으며, GHz 이상의 고주파 대역 에서는 사용할 수 없다. 또한, 소형화된 디지털 회로에 사 용하기에는 부적절하다. 따라서 소형화된 고속 디지털 회 로에 적용 가능한 방법으로써, 최근에는 low temperature co-fired ceramics(LTCC) 공정을 사용하여 5 Gbps의 데이 터 전송률을 갖는 USB 3.0에 적용 가능한 초소형 공통모 드 쵸크가 연구되었다^[33]. 그림 16에서 볼 수 있듯이, 필터 의 크기가 약 1.2 mm×2.0 mm로써 소형화 제작이 가능하 며, 전송 특성 결과에서 알 수 있듯이, 약 2 GHz 대역을 중심으로, —10 dB 기준 약 60 MHz 대역에 걸쳐 공통모

(11)

(a) 필터 구조

(a) Configuration of the filter

(b) 전송 특성

(b) Characteristic of transmission 그림 16. LTCC 공통모드 저감 필터^[33]

Fig. 16. Common-mode suppression filter fabricated by LT- CC^[33].

드 잡음을 억제할 수 있다. 하지만 소형화된 필터라는 장 점 외에 LTCC 공정에 따른 많은 생산비용과 잡음 억제 대역이 매우 좁다는 한계점을 갖고 있다.

앞서 언급한 대로, 공통모드 잡음을 위한 필터는 상용 화를 위한 수 GHz 대역폭을 갖는 광대역 특성을 가지며, 소형화된 구조를 만족시키는 것이 중요하다. 이런 특성을 만족시키기 위해서 접지 면에 주기구조를 삽입하여 대역 차단 특성을 얻을 수 있는 photonic bandgap(PBG), elelc- tromagnetic band gap(EBG) 구조 및 LC-ladder 형태를 구현 할 수 있는 modified ground structure(MGS)에 대한 연구가 최근까지 진행되고 있다^[34]～[40]. EBG 혹은 PBG 구조는 주 기적인 구조를 접지 면에 형성하여 특정 주파수의 대역 저지를 할 수 있는 기술로, 수 GHz의 잡음 억압 대역폭을

얻을 수 있는 장점이 있지만, 정확한 대역폭 분석을 위한 모델링이 쉽지 않고, 가장 큰 단점으로 많은 공간이 요구 되기 때문에 상용화에는 어려움이 따른다^[37]. 반면, MGS 기술은 EBG 구조와 같은 주기적인 격자구조를 필요로 하지 않아, 회로의 크기를 상대적으로 작게 만들 수 있는 장점과 동시에, 필터 이론을 통하여 비교적 쉽고 정확한 설계가 가능하다는 장점이 있다. 따라서 MGS를 이용한 필터는 전체 크기의 소형화 및 비용적인 측면, 그리고 수 GHz의 광대역 억압 특성을 가질 수 있다는 점에서 공통 모드 잡음 억압에 비교적 적합한 방법으로 최근까지 많 이 연구되고 있다^[36]^～[40].

MGS 기술을 이용한 잡음 억압 원리는 간단한 격자 구 조를 접지 면에 식각할 경우에 생기는 슬롯(slot) 형상이 마치 LC-ladder 네트워크의 대역 차단 혹은 저역 통과 회 로로써 작동하는 것이다. 본 구조는 전송 선로의 귀환 전 류 선로(return current path)에 영향을 주는 것으로써, 차동 모드 신호의 경우, odd 모드 신호이기 때문에 두 라인이 서로 귀환 전류 선로의 역할을 하여 MGS는 마치 이상적 인 접지 상태로 보인다. 반면, 공통모드 신호의 경우에는 even 모드의 신호로써 오직 접지면만이 귀환 전류 선로의 역할을 하게 되므로 MGS는 병렬의 LC 회로로 보이게 된 다. 이에 따라, 차동모드 신호는 MGS에 의한 영향이 없 어 신호의 왜곡이 발생하지 않으며, 공통모드 신호만이 MGS에 의한 영향을 받아 공통모드 잡음을 필터링할 수 있다.

그림 17은 다양한 형태의 MGS 패턴을 나타내고 있다.

덤벨 모양(dumbbel-shape) 패턴이 대표적으로 많이 연구 되었지만, 최근에는 소형화를 위하여 상대적으로 Q값이 높은 밴드 형태(bend-type) 구조나 split ring resonator(SRR) 구조가 활발히 연구되고 있다. 그림 18은 밴드형 MGS를 이용한 대표적인 연구를 보여주고 있다^[39]. 두 개의 U자 모양과 하나의 H모양이 정지 대역을 형성하는 구조로, 앞서 소개한 덤벨형 구조보다 훨씬 소형화된 구조라는 것을 알 수 있다. 차동 모드와 공통 모드의 전송 특성을 살펴보면 차동 모드는 큰 손실 없이 신호가 전달되는 특 성이 확인되고, 공통 모드의 경우, —10 dB를 기준으로 약 6 GHz(2～9 GHz)의 광대역 차단 특성을 얻는다는 것을 알 수 있다. 최근에는 complimentary split-ring resonator(CS-

(12)

(a) (b) (c)

(d) (e) (f) 그림 17. 다양한 형태의 MGS 패턴^[37]

Fig. 17. Various structures of MGS pattern^[37].

RR)을 이용한 공통모드 저감 필터까지 연구되고 있다^[40]. 지금까지의 MGS를 이용한 공통모드 필터 설계에 관한 연구는 광대역 특성과 비교적 소형 설계가 가능하다는 점, 그리고 PCB 내장(embedded) 가능 기술이므로, 추가적 인 공정 비용이 들지 않는다는 장점이 있다. 하지만 지금 까지의 연구는 모두 단층 기판을 대상으로 연구되었다.

그러나 현재 전자기기의 PCB는 다층으로 사용되고 있고, 접지면의 공간 또한 MGS를 구현할 만큼의 여유 공간이 없을 정도의 밀집구조로 많은 회로부품이 위치해 있다.

다층구조일 경우, MGS 구조 밑에 형성되는 접지면이나 신호선, 각종 트레이스 들의 영향을 받을 경우, LC 공진 특성이 변화되고, 억압 대역 또한 광대역으로 구현하기 쉽지 않을 것으로 예상한다. 또한, 상용화를 위해서는 현 재 밀집된 PCB에 적용할 수 있도록 소형화 설계가 필요 하다. 현재 대부분 휴대기기 및 전자기기에는 작은 크기 의 공통모드 필터를 사용하고 있지만, 앞서 언급한 것처 럼 수 GHz까지는 잡음 저감 특성을 나타내지 못하고 있 으므로, 수십 Gbps로 고속화되어 가는 인터커넥터의 잡 음을 저감하기는 힘든 상황이다. 따라서 현재의 상용되고 있는 공통 모드 필터와 고주파 대역 저지를 위한 MGS 설 계를 함께 사용하는 하이브리드(hybrid) 방법의 연구가 진 행된다면 현재의 한계점을 극복할 수 있을 것으로 생각 한다.

(a) UH형 MGS 구조

(a) Configuration of UH-shaped MGS

(b) MGS 특성

(b) Performance of MGS

그림 18. MGS를 이용한 공통모드 저감 필터 구조와 전 송 특성^[39]

Fig. 18. Common-mode suppression filter using MGS and transmission characteristics^[39].

지금까지는 차동모드 신호선은 대칭적으로 설계되었 다는 조건에서 공통모드 잡음 저감 필터에 대해서 살펴 보았으나, 실제 시스템의 설계 중 일어날 수 있는 차동 모 드 신호선 자체의 비대칭성을 향상하기 위한 연구를 포 함하여 차동모드 신호선 구조에 관한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 그중 하나로, 차동 모드 신호선 자체의 구조를 변화시키는 방법이 있다. 차동 모드 신호선 자체 를 트위스트 구조로 설계하여 기존의 신호 선에 비해 crosstalk와 복사성 방사를 감소시키고, 잡음에 대한 면역 성을 향상시켰다^[41](그림 19). 차동모드의 비대칭성에 관 한 연구는 실제 라우팅 중 생길 수 있는 밴딩 부분에서

(13)

그림 19. 트위스트 차동모드 신호선의 구조^[41]

Fig. 19. Configuration of the twisted differential line^[41].

비대칭이 가장 크게 일어나고, 이에 따른 두 신호의 지연 이 생겨서 모드변환 및 공통모드 잡음이 발생하므로, 이 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그림 20은 두 신호선의 길이 차이를 보상해 주기 위한 인덕턴스 보상 방법^[42]과 커패시턴스 보상 방법^[43]을 보여 주고 있다. 이와 같은 연구는 밴딩 각도에 따른 LC 값을 분석하고 대칭을 이루기 위해 인덕턴스나 커패시턴스 성 분을 인위적으로 하나의 신호 선에만 추가하여 대칭성을 향상시키고, 모드 변환(S^cd21)과 공통모드 전압 저감을 확 인함으로써 제안한 방법을 검증하였다.

또한, 두 개의 신호선의 구조 변경을 통해서 비대칭 문 제를 해결할 수 있다. 밴딩 부분에 tapered 구조를 적용하 여 차동 신호선의 비대칭 문제를 해결하려 하였고^[44], 최 근에는 그림 21과 같은 트위스트 구조의 차동 신호선이 제안되었다^[45]. 그림 21의 결과에서 확인할 수 있듯이, 모 드변환과 공통모드 전압 특성이 크게 향상되었다는 것을 실험으로 검증함으로써, 실제 적용 가능성을 보여주고 있 다. 이들 연구는 PCB 레벨의 고속 신호 인터커넥터에 적 용된 경우의 특성은 효과적으로 보여주고 있지만, 정확한 원리 분석이 부족하며, 신호선의 크기가 더 작아지는 IC 레벨을 포함한 패키지, 커넥터 레벨의 인터커넥터에 적용 가능성 여부가 앞으로 추가로 연구되어야 한다.

앞서 언급했던 대로, 차동신호의 대칭성이 완벽하게 구현 되었을지라도, 그 주변 상황에 따라 비대칭 특성을 가

(a) 캐패시터 보상 방법^[42]

(a) Capacitor compensation method^[42]

(b) 인덕턴스 보상 방법^[43]

(b) Inductance compensation method^[43]

그림 20. 차동 신호선의 대칭성 향상 방법

Fig. 20. Improvement method for balancing characteristic of differential signal line.

질 수 있다. 최근 전자기기의 디지털 시스템은 소형화를 위해 고집적으로 설계되기 때문에, 차동 신호선 주변에 위치하는 구조들이 두 신호 선에 비대칭으로 위치하게 되었을 때 신호선의 특성 임피던스에 불연속과 부정합이 발생하게 되고, 이것은 EMI 문제로 이어진다. 이런 문제 를 해결하기 위해서는 신호선 주변의 구조를 대칭성 있 게 설계하는 것이 가장 이상적인 방법이지만, 실제 시스 템에서는 불가피한 경우도 생기게 되므로, 최소한으로 차

(14)

(a) 트위스트 구조의 차동 신호선 (a) Twisted differential transmission line

(b) 모드 변환 특성

(b) Mode conversion characteristics

그림 21. 공통모드 잡음을 저감하기 위한 차동 전송선로

구조 및 모드 변환 특성^[45]

Fig. 21. Differential transmission line to suppress common- mode noise and mode conversion characteristics^[45].

동 신호선 사이의 간격만큼은 일정하게 유지해야만 신호 무결성과 EMI의 영향을 최소화할 수 있다^[31].

Ⅴ. 결 론

지금까지 디지털 시스템 잡음에 의한 RF 시스템의 성 능 열화 문제에 대해서, 현재까지 진행된 부품 레벨부터 시스템 레벨까지 연구에 관하여 살펴보았고, 디지털 시스 템의 주요 잡음원이라고 할 수 있는 공통모드 잡음의 발 생 원인과 이에 대한 대책에 대해서 살펴보았다. 현재 하 나의 전자기기에서 시스템 간 발생하는 EMI/EMC 문제는 더욱 심각해지고 있으며, 특히 디지털 시스템의 EMI에

의한 RFI 문제는 주요 관심 문제로 인식되고 있다. 이는 디지털 회로가 더욱 고밀도화 되고 동작 주파수가 높아 지면서 SI/PI/EMC 문제들이 혼합되었기 때문이며, 이들 을 동시에 해결하고, 그 영향을 최소화할 수 있도록 시스 템 레벨의 연구가 이뤄져야 한다. 지금까지 연구는 시스 템 레벨의 측정을 중심으로 현상 분석에 집중되어 있지 만, 디지털 시스템의 잡음원을 정확히 찾아내는 방법과 대책에 관한 연구가 하나의 연구에서 함께 이뤄지는 시 스템 레벨의 연구가 앞으로 더욱더 많이 진행돼야 한다 고 판단된다.

RFI 문제를 해결하기 위해서는 잡음원인 디지털 시스 템의 잡음을 최소화해야 하는데, 현재 데이터 전송률이 고속화됨에 따라 차동 모드 신호 전송 시에 일어날 수 있 는 공통모드 잡음은 주요 잡음 원 중에 하나라고 할 수 있다. 따라서 두 신호선의 비대칭에서 오는 모드 변환을 최소화하기 위한 연구가 과거부터 지금까지 활발히 진행 되고 있다. 대칭성만 유지된다면 차동 모드 신호는 EMC 문제를 발생시키지 않으므로, 대칭성을 유지하기 위한 새 로운 구조의 차동 신호선 설계 방법이고, 집적화된 현대 전자기기에서는 가장 효율적인 방법이라고 생각되며, 지 금까지 연구되어온 MGS를 이용한 공통모드 필터는 실제 상용화에 있어서 공간적 문제가 가장 크다고 판단되므로, 이를 해결하는 방법이 모색되어야 한다고 생각된다.

현대 전자기기는 갈수록 소형화, 고집적화 되어 가고 있으며, 여기에서 발생하는 시스템 간의 EMC 문제를 해 결하기 위해서 앞으로 시스템 레벨의 EMC 연구가 더욱 더 활발히 이루어져야 할 것이다.

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[45] S. W. Guan, C. W. Kuo, H. Y. Wang, C. S. Hsu, S.

M. Wu, and C. C. Wang, "Hybrid differential transmission line bend to suppress common-mode noise", Electronics Letters, vol. 49, no. 17, pp. 1068-1069, Aug. 2013.

구 태 완

2009년 2월: 한국외국어대학교 전자공학 과 (공학사)

2011년 2월: 연세대학교 전기전자공학과 (공학석사)

2011년 3월～현재: 연세대학교 전기전자 공학과 박사과정

[주 관심분야] SI/PI/EMI/EMC, High-Speed Digital Circuit Design, Modeling, Packaging, 광대역/다중대역 안테나 시스템

이 호 성

2012년 8월: 연세대학교 전기전자공학과 (공학사)

2012년 9월～현재: 연세대학교 전기전자 공학과 박사과정

[주 관심분야] SI/PI/EMI/EMC

육 종 관

1987년 2월: 연세대학교 전자공학과 (공학 사)

1989년 2월: 연세대학교 전자공학과 (공학 석사)