오실로스코프를 이용한 EMI 디버깅 이해하기

EMI 디버깅이란?

EMI 컴플라이언스 테스트는 RF가 공간을 통해 대략 평면파(전기 및 자기 성분이 대략 동일한 크기)로서 전파되는 "Far field"에서 수행합니다. Far field는 신호 주파수, 송신 안테나 등을 바탕으로 소스에서 한 개 또는 두 개의 파장을 생성합니다. Far field의 컴플라이언스 테스트는 정해진 임계값을 웃도는 전자기 방사를 통해, 강력한 전자기장에 노출되었을 때 전기 및 전자 기기에 어떤 문제가 발생하는 지 보여줍니다.

EMI 디버깅은 반면 문제의 위치(즉, 불요 방사의 원인이 되는 성분, 선, 트레이스 등)를 확인하기 위해 "Near field"(니어 필드)에서 수행됩니다. 불요 방사를 제거하고 장치가 규정을 준수하도록 보장하려면 이러한 불요 방사의 원인이 되는 위치가 어느 곳인지 확인하는 것이 중요합니다.

EMI 디버깅 프로세스는 다음 단계로 구성됩니다.

• 방출 탐지 및 특성분석
  불요 신호의 주파수와 레벨은 몇입니까? 이러한 불요 신호를 식별하는 데 참고할 수 있는 동작이 표시됩니까? 예를 들어 클럭 신호의 정수배(integer multiple)입니까?
• 방사의 물리적 소스 확인
  어떤 성분, 선, 트레이스 등이 이러한 방사의 원인입니까?
• 다양한 해결 기법 적용
  접지, 차폐 등을 적용하여 이러한 방사를 제거하거나 방출 레벨을 감소합니다.

EMI 디버깅에 사용하는 가장 일반적인 도구는 니어필드 프로브및 오실로스코프입니다.

EMI 디버깅에 사용되는 니어필드 프로브

니어필드 프로브는 대부분의 유형의 오실로스코프 측정에 사용되는 패시브 또는 액티브 프로브와 다릅니다. 니어필드 프로브는 크게 자기장 프로브와 전자장 프로브로 분류할 수 있습니다.

방사 방출 수준 매우 미미한 대부분의 경우에는 프로브와 스코프 사이에 전치 증폭기를 사용하는 경우도 있습니다. 전치 증폭기를 사용하지 않을 때는 민감한 스코프가 필요합니다. 올바른 프로브를 선택하고 사용하는 것은 EMI 디버깅에서 정확한 결과를 도출하는 데 중요합니다.

자기장 프로브(H-field 프로브)

H-field 프로브는 일반적으로 고리(loop) 형태를 갖추고 있습니다. 최대 응답은 신호에 대한 고리의 각도가 90도에 위치하고 있거나 자기장이 "고리를 통과"할 때 발생합니다. 최소 응답은 고리가 신호와 평행할 때 발생하며, 일반적으로 문제 해결 중에는 고리가 회전합니다. 고리의 크기에 따라, 분해능과 민감도는 서로 반비례 관계를 갖습니다.

• 고리의 크기가 크면 민감도가 높아지지만 공간 분해능은 낮아집니다.
• 크기가 작은 고리는 민감도가 낮지만 신호 소스의 위치를 정확하게 파악하기가 더 쉽습니다.

핀치에서 프로브 접지 리드를 프로브 팁에 연결하면 일반적인 패시브 프로브에서 H-field 프로브를 임시로 간편하게 만들 수 있습니다.
공간 분해능이 매우 높으면서도 고리 형태가 아닌 니어필드 자기장 프로브도 있습니다. 이 프로브 또한 ICs 표면 또는 커패시터를 통해 전류를 결정하는 데 사용될 수 있습니다. 자기장은 아래 이미지에서 흰색 선으로 표시되는 프로브 팁의 틈으로 감지됩니다.

전기장 프로브(E-field 프로브)

E-field 프로브는 측정하는 자기장과 평행하게 배치할 때 응답이 최대가 됩니다. E-field는 대부분의 전도체에서 전도체의 표면과 직각을 이루므로, E-field 프로브는 테스트할 전도체와 수직으로 배치됩니다.

광역 프로브는 표면적이 넓은 구조물에서 방출되는 전기장을 측정하는 데 사용합니다. 프로브 상단은 전기적으로 차폐되어 있으며, 측정은 프로브 하단을 사용하여 실행됩니다.

더 작은 니어필드 E-프로브는 인접 구조물에서 나오는 자기장을 억제하기 위해 차폐되어 있습니다. 이러한 유형의 프로브는 일반적으로 1 mm 미만의 높은 공간 선택도를 갖습니다. 따라서 인쇄 회로 기판에서 하나의 좁은 트레이스의 위치를 격리하는 데 자주 사용됩니다.

주파수 도메인에서 사용하는 오실로스코프

EMI 디버깅에서 오실로스코프를 사용할 때 가장 중요한 점 중 하나는 일반적으로 스코프를 사용하여 진폭(즉, 타임 도메인의 전압)을 확인한다는 것입니다.
EMI 디버깅에서는 불요 방사 레벨을 주파수의 함수로 봅니다. 따라서 주파수 도메인 측정이 필요합니다. 타임 도메인에서 주파수 도메인으로의 전환은 FFT(Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변환)를 사용하여 실행됩니다. 최신 디지털 오실로스코프는 대부분 FFT를 지원하지만 스코프에 따라 성능 및 기능이 크게 다를 수 있습니다. 오실로스코프의 FFT모드는 일반적으로 중심 주파수, 스팬, 분해능 대역폭 설정 등과 같이 스펙트럼 분석기와 매우 유사하게 작동합니다.
기본 FFT 작동 외에도, 스펙트로그램, 주파수 마스크 트리거, 피크 목록등의 유용한 기능이 있습니다.

스펙트로그램

FFT 디스플레이는 신호의 표준 주파수 도메인 표현을 전력 대 주파수로 표시합니다. 스펙트로그램은 시간 차원을 추가하는데, 즉, 전력 대 주파수 대 시간이 표시됩니다. 스펙트로그램의 y축은 시간을 의미하며 전력은 색깔로 맵핑됩니다. 스펙트로그램의 기본 색상표는 대부분 전력이 높을수록 빨간색에 가깝고 전력이 낮을수록 보라색에 가깝게 표시됩니다.

색상표 또는 색상 맵핑은 사용자의 선호도나 원하는 신호를 더욱 명확하게 표시하기 위해 조정되는 경우가 많다는 점을 명심하십시오. 스펙트로그램은 시변 신호(time-varying signal) 또는 노이즈 플로어 근처의 저레벨 연속 신호와 같이 확인이 어려운 신호를 시각화하는 데 도움이 됩니다.

주파수 마스크 트리거

일부 EMI 문제는 지속적으로 표시되는 불요 신호 또는 스퓨리어스 신호와 관계가 있지만, 대부분의 문제는 감지 및/또는 분석이 어려운 간헐적 신호와 연관이 있습니다. 이러한 유형의 문제를 해결하는 한 가지 방법은 지정된 주파수 또는 지정된 주파수 범위 밖에서 사용자가 정의한 임계값을 초과하는 전력에서 트리거를 실행하는 것입니다. 이러한 방식은 시간의 흐름에 따른 전압 변화를 바탕으로 실행되는 "일반적인" 오실로스코프 트리거링과는 차이가 있습니다. 소위 주파수 마스크 트리거라고 불리는 이 방식은 사용자가 전력 대 주파수 마스크를 정의할 수 있도록 도와줍니다. 마스크가 제대로 시행되지 않으면 트리거가 스코프 획득을 중단하고 캡처된 데이터를 상세히 분석할 수 있습니다.

피크 목록

EMI 디버깅에서는 높은 수준 또는 "피크" 신호는 가장 주의 깊게 살펴봐야 하거나 중요성이 가장 높은 부분입니다. 부분적으로는 이러한 신호가 규정된 임계값을 위반하기 때문이고, 한편으로는 진폭이 높은 신호가 진폭이 낮은 신호보다 문제를 유발할 가능성이 더 높기 때문입니다. 따라서 스펙트럼 내에서 "피크"를 확인하는 것은 매우 중요합니다. 피크를 확인하기 위해 그래프를 수동으로 직접 검사하거나 및/또는 커서나 마커를 사용하는 등 다양한 방법을 적용할 수 있습니다. 하지만 이러한 방법은 시간이 많이 소요되며 오류가 발생하기 쉽습니다. 대부분의 최신 오실로스코프는 피크 검색 또는 피크 목록 기능을 탑재하고 있어 피크 진폭 신호 목록 및 해당 피크의 개별 주파수 목록을 자동으로 확인하여 제공합니다.