[편집자주]IT제품 설계 시 발생하는 전자파 노이즈는 제품 성능 저하와 오작동 등 치명적인 결함을 유발한다. 최근 자동차의 전동화 전환과 제품의 소형화, 5G·6G 통신과 같은 고대역 주파수(밀리미터파)의 사용이 확대됨에 따라 이러한 의도성·비의도성 전자파 노이즈에 의한 기기 및 시스템 오동작 가능성이 점차 커지고 있다. 이에 EMI·EMC 설계의 중요성이 주목받고 있는 가운데 e4ds news에서는 EMI·EMC 전문가들을 한데 모아 최신 기술동향을 공유하고 해법을 모색하는 아날로그데이(Analog Day)를 매년 개최하고 있다. 

이번 아날로그데이에서 핵심 세션인 ‘SMPS 노이즈 대책’을 발표할 김지성 교수를 만나 이야기를 나눠봤다. 김지성 교수는 삼성전자 수석연구원과 수원과학대학교 부교수를 거쳐 현재는 KAIST 조천식모빌리티 대학원의 초빙교수 및 ㈜씨피에스테크 CTO를 맡고 있다. 그의 주력 분야는 EMI·EMC로 전자제품 설계 시 발생하는 노이즈를 줄이고 인체에 해로운 전자파를 최소화해 고신뢰성 설계를 확보하기 위한 중요 기술들을 연구하고 있다.


■ 주로 연구하는 분야와 주요 활동 등에 대해 소개 부탁드린다

고신뢰성 설계를 확보하기 위한 고속 디지털시스템과 전원 시스템의 전자파에 관해서 주로 연구하고 있다. 또한 전자파를 이용해 IT, 가전 및 자동차 분야에서의 무선전력 전송 기술과 자동차 및 IT 제품의 고속 신호 전송 기술, 신호 및 전원 노이즈 분야에 대한 연구를 수행하고 있다.

해당 연구 분야에서 전문가로서 한국전자파학회 협동이사로 활동하고 있으며, 학회 내 EMC 연구회 위원장으로도 활동하고 있다. 더불어 관련 기술을 주제로 국내 대기업 및 중소기업 재직자들에게 여러 기술 강연 및 지도를 진행하고 있다.

■ EMI·EMC를 고려한 설계가 점차 중요해지는 이유는 무엇인가

과학기술에 관한 연구는 4차 산업혁명이라는 큰 기술적 움직임과 함께 지속하고 있다. 5G 기술과 △사물인터넷 △스마트홈 △스마트팩토리 △E-모빌리티 △커넥티드카 등 신산업의 시대가 도래할 것으로 기대하고 있으며, 관련된 소재·부품·장비 그리고 서비스 산업 또한 변화하고 있다.

반면 기술적인 측면에서는 신소재를 개발하고 유무선 통신 속도를 더욱 빠르게 동작시켜야 하며, 에너지 및 환경 문제도 고려해야 하는 등 해결해야 할 과제가 산적해 있다. 특히 전자파 즉 EMI·EMC 기술 측면에서 새로운 기술의 등장으로 인한 의도성·비의도성 전자파가 디바이스와 시스템에 영향을 미쳐 오동작을 일으킬 가능성이 더욱 커질 것으로 예상한다.

따라서 새로운 기술을 융합해 사용할 때는 설계하는 기기 자체적으로 정상 동작하면서도 다른 기기와 상호 공존하기 위한 각 기기의 설계가 더욱 중요해지고 있는 실정이다. 이에 EMI·EMC 분야의 연구는 현재 정보통신·가전·자동차뿐 아니라 전자회로가 포함되는 대부분의 분야에서 기술적 요구가 이어지고 있으며, 신호의 속도가 빨라지고 제품이 소형화되는 등 환경 변화에 따라 중요성은 점점 더 높아지는 분야이다.

■ SMPS 노이즈는 왜 발생하는가

스위치 모드 파워 서플라이(Switched-Mode Power Supply: SMPS)는 높은 효율 덕분에 점차 사용 환경이 확대되고 있으나, 스위칭 동작으로 인한 전자파 노이즈가 과거부터 많은 문제를 일으키고 있다. 이에 발맞춰 문제해결을 위한 대책 기술도 함께 지속 발전해왔다.

최근에는 그 수요가 스마트폰과 같은 소형 제품을 비롯해 태양광 인버터 등 신재생에너지 관련 분야, 전기 자동차와 같은 분야에 넓게 확대되기에 전자파 대응 소자 및 설계 기술 등이 필요한 시점이다.

기본적으로 SMPS에서 발생하는 노이즈는 MOSFET이나 IGBT와 같은 스위치 소자 혹은 다이오드가 스위칭할 때 발생한다. 스위칭 주파수의 고조파에 의한 전자파 노이즈, 스위칭 시 고주파 전류의 경로에서 발생하는 공진 노이즈 등 전도 또는 방사의 형태로 나타난다.

스위칭으로 인해 발생한 노이즈는 소자의 특성, 회로 및 PCB 설계에 따라 다르게 나타날 수 있으며 이때 발생한 노이즈는 전도에 의해 입력 라인에 전달되거나, 근접한 도체와의 상호 커팬시턴스에 의한 용량성 결합(Capacitive Coupling) 또는 고주파 전류 경로로 발생하는 상호 언덕턴스에 의한 유도성 결합(Inductive Coupling) 때문에 노이즈가 전달되어 전자파 문제를 일으킬 수 있다.

■ 고주파 스위칭에서 발생하는 노이즈를 제어하기 위해 어떤 솔루션들이 요구되나

SMPS에서 발생하는 전자파 노이즈는 발생원인과 경로에 따라서 다양한 대책기술이 있다.

노이즈 발생 원인을 줄이는 방법으로 스너버(Snubber) 회로 기술, 기생성분을 최소화하기 위해 PCB Layout 기술 및 근본적인 회로 토폴로지를 개선하는 방법, 스위칭 속도나 주파수를 제어하는 방법 등이 사용되고 있다. 더불어 스위치 소자나 커패시터와 같은 부품 특성을 개선하거나 필터 기술 및 차폐 기술도 사용하고 있다.

이외에도 공통모드나 차동모드 전류 경로로 인한 전자파 노이즈를 줄이기 위한 대책기술들이 사용되고 있으며, 해석 및 측정기술을 포함해 계속해서 개선된 기술들이 제안되고 있다.
 
■ 이번 아날로그데이에서 다루게 될 내용에 대해 간략한 소개를 부탁드린다

SMPS에서 발생하는 전자파 노이즈의 발생 원인 및 대책에 대해 설명할 예정이다. SMPS의 종류는 많지만 시간 관계상 가장 대표적으로 많이 사용하는 DC-DC 컨버터에서 발생하는 노이즈를 다룰 예정이다. 노이즈 발생 원인과 노이즈를 줄이기 위한 설계 대책에 대해서 요약 발표할 예정이다.

■ e4ds news 독자들에게 마지막으로 한 말씀 남기신다면

EMI·EMC 문제는 모든 전자제품에서 발생하는 문제이고 제품의 신뢰성 및 규격 인증을 위해 반드시 해결해야 하는 문제이다. 반면 이 문제를 설계단계에서 해결하지 않고 문제가 되었을 때 해결하려고 하면 많은 노력과 시간, 비용이 필요하게 된다.

따라서 설계 단계에서 원인을 최소화하는 것이 가장 효과적인 방법이다. 아무쪼록 이번 아날로그데이가 독자분들이 제품을 설계하는 데 있어서 많은 도움이 되기를 희망한다.

감사합니다.

한편 김지성 KAIST 초빙교수의 'SMPS 노이즈 대책' 세션과 더불어 △EMI·EMC 표준/인증 동향 △무선충전시장 전망과 무선전력전송 기술 발전에 따른 EMI 대책 등 다양한 세션이 마련된 아날로그데이가 오는 12월 9일 강남역 컨퍼런스센터 대강당에서 개최를 앞두고 있다.