전자기 결합 란 무엇인가요?

전자기 간섭(EMI)은 전기와 자기가 밀접한 관련이 있기 때문에 발생합니다. 전자기파는 서로 수직으로 진행되는 전기파와 자기파로 구성됩니다. 각 성분은 주파수, 전압, 전류 및 거리에 대해 서로 다르게 반응하지만, 최근 전자 시스템 설계 기술의 발전에 따라 간섭의 주된 원인은 전기장 요인입니다.

EMI는 또한 모든 전기 도체가 고주파에서 안테나 역할을 하기 때문에 발생할 수 있습니다. 전선의 길이가 전송하는 신호 주파수의 파장의 절반에 가까워지면, 전선은 상당한 양의전자기 에너지를방출하기 시작합니다. 따라서 저주파에서는 상당한 양의 전자기 방출이 발생하기까지 전선이 상당히 길어야 합니다. 그러나 고주파에서는 매우 짧은 전선조차도 안테나 역할을 합니다. 트랜지스터의 스위칭 속도가 빨라질수록 전자기 간섭( 전자기 결합 )이 발생할 확률이 높아지며, 트랜지스터는 전자기 노이즈의 주요 원인이 됩니다. 칩의 기능과 성능을 보장하기 위해서는 방사되는 신호가 허용 수준 이하로 유지되어야 합니다.

EMI 결합의 원인을 파악하기 위해서는, 신호가 발생원에서 수신기로 어떻게 결합되는지 이해하는 것이 가장 중요합니다. EMI 결합에는 전도, 복사, 정전용량, 유도 등 네 가지 방식이 있습니다.

소스와 수신기를 연결하는 설계에서 전도성 전선이나 전기 경로를 따라 EMI가 방출되는 경우, 이를 전도 결합이라고 합니다. 전도 결합은 주로 전력 배전선에서 발생합니다. 전도 결합은 연결 방식에 따라 공통 모드 전도 또는 차동 모드 전도로 나타날 수 있습니다. 예를 들어, 주방의 믹서를 켜면 텔레비전 화면에 잡음이 발생할 수 있는데, 이는 둘 다 동일한 전력선에 연결되어 있기 때문입니다. 전도 결합을 해결하는 가장 효과적인 방법은 전선을 차폐하고 필터를 사용하는 것입니다.

복사 형태의 EMI는 발생원과 수신기 사이에 물리적 연결이 필요하지 않습니다. 복사 결합은 대개 고주파수에서 발생하는데, 이때 고주파로 작동하는 회로에서 원치 않는 전자기 신호가 방출되어 인근의 다른 칩이나 회로에 수신됩니다. 예를 들어, 비행기를 타고 이륙하거나 착륙할 때마다 전자기기를 끄라는 안내를 받게 되는데, 이는 전자기기에서 방출되는 전자기 복사가 비행기의 전자 기기 및 시스템에 간섭을 일으킬 수 있기 때문입니다. 방사 결합은 정상적인 작동을 방해하거나 오작동을 일으킬 수 있습니다.

전기장 성분은 정전용량 결합을 일으키는 반면, 자기장은 유도 결합을 일으킵니다. 정전용량 결합은 두 도체가 서로 매우 가까이 배치되어 있을 때 발생합니다. 소스 측의 변화하는 전압이 정전용량 효과를 통해 전하를 대상 도체로 전달합니다. 이는 주로 전자 회로가 밀집되어 있는 칩 내에서 신호선이 밀접하게 배선된 경우에서 발생합니다.

유도 결합은 소스가 피해 도체 주위에 생성하는 자기장에 의해 발생합니다. 자기장의 변화로 인해 인근의 피해 도체에 원치 않는 전류가 유도됩니다. 유도 결합은 두 회로 소자가 서로 매우 가까이 위치해 있지만 직접 연결되어 있지 않을 때 발생합니다. 그러나 특히 소스를 둘러싼 전도성 고리를 사용할 경우, 훨씬 더 먼 거리에서도 유도 결합이 가능합니다.

변압기와 인덕터:전자기 결합 는 모든 전자 회로에서 변압기와 인덕터가 작동하는 기본 원리입니다. 변압기는 전압 조절과 서로 다른 회로 간의 전력 전달을 돕는 반면, 인덕터는 자기장에 에너지를 저장하고 원치 않는 주파수를 걸러냅니다.

데이터 전송:전자기 결합 는 근거리 무선 통신(NFC) 및 유도식 데이터 전송과 같은 기술에 사용되어 빠르고 안전한 데이터 교환을 가능하게 합니다.

유도 충전:전자기 결합 는 스마트폰 및 기타 전자 기기를 위한 무선 충전 패드와 같은 유도 충전 시스템에 활용됩니다.

크로스톡: 서로 평행하게 흐르는 신호 간에 발생하는 원치 않는 전자기 결합 을‘크로스톡’이라고 합니다. 이는 신호 간섭( 신호 무결성 ) 문제를 일으킬 수 있으며, 이로 인해 데이터 손상이 발생하고 회로 성능이 저하됩니다.

노이즈 및 간섭: 전자기 결합 는 민감한 회로에 원치 않는 노이즈와 간섭을 유발할 수 있습니다. 디지털 회로에서 발생하는 노이즈는 아날로그 부문에 간섭을 일으켜 전체 회로 성능에 심각한 위험을 초래할 수 있습니다. 이러한 간섭은 신호 품질을 저하시켜 IC 내부의 오류 및 오작동을 유발할 수 있습니다.

신호 무결성 문제점: 고주파 신호는 특히 고주파 간섭( 전자기 결합)에 취약하여, 반사, 링잉, 감쇠와 같은 고주파 문제( 신호 무결성 )를 유발합니다. 이는 IC의 전반적인 신뢰성과 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

집적회로(IC)에서 발생하는 방출:전자기 결합 로 인해 집적회로(IC)에서 전자기파가 방출될 수 있습니다. 이로 인해 인근의 다른 전자 기기 및 시스템에 전자기 간섭(EMI)이 발생할 수 있으며, 결과적으로 전자기 호환성(EMC) 표준 준수 문제가 발생할 수 있습니다. 

전자기 간섭(EMI) 취약성: 집적 회로는 크기가 작고 회로 밀도가 높기 때문에 외부 전자기 간섭에 취약합니다. 이로 인해 IC의 작동에 오작동이나 장애가 발생할 수 있습니다.

최근 몇 년간 전자 기술의 급속한 발전으로 인해 설계자들은 소형이고 효율적이며 초고속인 칩 설계를 개발해야 하는 상황에 놓여 있습니다. 이로인해 칩 설계자들은 중대한과제에 직면하게 되었으며, 그중 하나가 EMI 문제입니다. EMI는 칩의 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. EMI의 전기장 요인은 주로 회로 간에 원치 않는 신호가 결합되는 주된 원인입니다.

칩 설계에서 전자기 간섭( 전자기 결합 )의 영향을 완화하기 위해 설계자들은 다양한 기법을 사용합니다. 차폐는RF IC와 같은 고속 칩에서 전자기 간섭을 방지하는 데 널리 사용되는 기법 중 하나입니다. 차폐체는 전기장을 흡수하거나 차단하여, 원치 않는 신호가 트랜지스터, 안테나 또는 기타 능동 소자와 같은 민감한 회로 소자와 상호작용하는 것을 방지합니다. 차폐는 전도성 재료로 만든 인클로저를 사용하거나, 회로 기판 내부에 전도성 재료를 층으로 사용하는 등 다양한 방법으로 구현될 수 있습니다.

전자기 결합 를 완화하기 위한 또 다른 기법은 미리 정의된 고속 레이아웃 기법과 첨단 시뮬레이션 방법을 활용하는 것입니다. 칩은 매우 높은 속도로 설계되고 높은 데이터 전송률의 신호를 사용하기 때문에, 이러한 기법만으로는 전자기 호환성(EMC)을 보장하기에 충분하지 않습니다. 따라서 첨단 시뮬레이션 방법을 사용하여 집적 회로의 전자기 결합 동작을 예측하는 것이 중요합니다. Synopsys 는 인덕터를 합성하고 RF IC의 EMI 거동을 예측하며 사인오프(sign-off)를 수행할 수 있는 완벽한 전자기 시뮬레이션 도구 모음을 제공합니다. 이 도구들의 자동화 및 모델링 기능을 통해 설계자는 더 높은 정확도로 더 빠른 데이터 전송 속도를 지원하는 설계를 수행할 수 있습니다.

전자기 결합 이는 전자 회로의 성능과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으므로, 첨단 고속 칩 설계에서 중요한 문제입니다. 레이아웃 지침을 준수하고 차폐판, 필터 및 기타 소자를 사용하는 것은 언제나 중요하지만, 실제 환경에서 이러한 요소들의 동작을 예측하는 것은 시뮬레이션 도구를 통해서만 가능합니다. Synopsys 는 대상 애플리케이션의 성능 및 신뢰성 요구 사항을 충족하는 고품질 칩을 생산하기 위해 EMI를 분석하는 업계 최고 수준의 기술을 제공합니다. 

전자기 결합 의 원리를 이해하고 그 영향을 완화하기 위한 효과적인 기법을 적용함으로써, 칩 설계자들은 안정적으로 작동하며 원하는 성능 수준을 달성할 수 있는 회로를 제작할 수 있습니다.

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