자료실

YIC Technologies

YIC Technologies사의 EMScanner와 RFScanner등 제품에 대한 자료를 열람하실수 있습니다.

Technical Notes #1

번호

3

글쓴이

관리자

작성일

2023.07.03

수정일

2023.12.19

Near field 프로브 방식은 시간 영역 또는 주파수 영역에서 전자장 또는 전기장을 관측하는데 있어서 아주 아주 유용한 방법입니다.

전기장에 흥미가 있는 경우라면 전기장 라인을 잡아내기 위해 기억해두어야 할 팁 한가지는 전기장 라인은 회로에서 dv/dt 와 관련이 있다는 것입니다.

반면에 자기장에 흥미가 있다면 회로에서 내 관심 영역 주변에 작은 루프가 만들어져서 자기장 라인들을 얻게 됩니다. 프로브를 통해 얻어진 결과는 소자. 패턴 또는 와이어에서의 di/dt 와 관계가 있게 됩니다. Near filed 프로브를 이용한 가장 보편적인 방식은 관심 영역 위에 프로브를 위치 시킨 후에 특정 주파수에서의 높은 활동을 찾아내는 것 입니다. 이 방식은 또한 타겟 회로로 인입되는 EMI 확인에도 사용이 됩니다. 높은 민감도(sensitivity)나 핀 단위까지의 정밀한 분석에도 크고 작은 다양한 형태의 루프와 방법들이 존재 합니다.

예로서, 아래 Fig. 1 과 같이 사용자는 프로브를 사용하여 PCB 보드, 케이블 및 케이스까지 조립된 상태에서도 측정이 가능합니다.

이런 방법을 통해 중요한 회로 배치, 방사 케이블 또는 위험 천만한 슬롯 등을 확인할 수 있으며 아주 효과적이면서도 사용하기에도 편한 좋은 해결책으로 평가가 됩니다. 지난 몇 년 동안 YIC Technologies 사로부터 이러한 타입의 스캐너를 사용할 수 있는 기회를 제공받아 아주 잘 사용해 왔습니다. EMScanner 와 EMProbe(Fig. 2)가 바로 그것 들이며 near field 프로브 역할을 하는 스캐너로서 상당히 전문적이고 반복 작업에 유리할 뿐 아니라 가장 빠른 속도를 제공하기도 합니다

Fig. 2. Y.I.C. Technologies 사의 EMProbe (좌) 및 EMScanner (우)

EMProbe 를 이용하여 EMC/EMI 문제를 진단할 경우에 일반적인 규격의 프로브를 사용하면 됩니다. 사용이 편리한 로봇 팔이
모든 방향의 프로브 동작을 제어고 외부 스펙트럼 아날라이저를 통해 그 결과를 확인 합니다.

EMScanner 는 평면의 구조로 몇 밀리 단위로 배치된 천 여개의 프로브 안테나로 구성 되어 밀리미터 대역 까지 효과적인
측정결과를 제공합니다. 측정 주파수 범위는 모델에 따라 150KHz 부터 8GHz 까지 입니다.

이 루프 안테나의 민감도(sensitivity)도는 -135dBm 까지이며 고속의 전자식 스위칭 시스템을 통해 엄청난 속도로 DUT 의
마그네틱 near field 에미션을 실시간(real-time) 으로 분석할 수 있습니다( 초 단위 속도).

두가지 스캐너 모두 EMViewer 소프트웨어를 통해 로봇 팔과 외부 스펙트럼 아날라이저를 제어하며 결과를 수집하고 분석할 수 있습니다.

Fig. 3 의 사진은 스캐너와 DUT 의 모습이며 측정 영역은 21.8cm x 31.6cm 입니다.

이 자기장 측정 방식은 측정 대상에 흐르는 전류와 연관이 있으며 해당 주파수 뿐 아니라 실시간으로 측정되는 필드 이미지를 수 초 내에 실시간으로 확인할 수 있습니다.

필자는 문제해결이나 교습을 위한 목적으로 필요한 반복 작업을 이렇게 즉각적으로 분석하고 비교하여 빠르게 하드웨어의 디자인을 최적화할 수 있는 방식을 좋아합니다. 그 결과는 아주 인상적입니다.

아래 Fig.4 와 같이 Decoupling 회로가 포함된 전형적인 24MHz 디지털 IC 클록 회로를 예로 들어 보겠습니다

전원(+5V)은 USB 를 통해 공급되고 SMD 형식의 퓨즈와 시각적으로 반응을 확인할 수 있는 작은 LED 와 회로기판 상에서
디커플링 효과를 주기 위한 디커플링 캐패시터가 포함되어 있습니다. 클록 매칭은 50 ohm 저항을 사용합니다.

IC 가 동작하려면 전원으로부터 과도전류(iS)가 필요하게 되며 고조파 (harmonics) 전류의 고주파 성분은 여러가지 형태의 전도 및 방사성 EMI 문제의 근원이 됩니다.

문제를 최소화하기 위해서는 디커플링 네트워크(통상 SMD 캐패시터와 페라이트)를 사용하여 전원단을 통과하는 이런 고주파 성분을 회피하게 됩니다. 디커플링 회로가 예측대로 동작한다면 전류ipsu 는DC 수준으로 떨어지게되며 디커플링 캐패시터(ic)로 과도 전류의 경로가 형성됩니다. 2 개의 점퍼를 사용하여 디커플링 네트워크를 연결하거나 차단할 수 있다면 이 네트워크의 효과를 즉시 평가할 수 있게 됩니다.

Fig.5 에서 PCB 보드의 상단 면을 볼 수가 있습니다. Vcc 선로가 TOP 레이어 상에 위치하고 있음을 확인 바랍니다. Ground 레이어(ground plane 이 아님)는 BOTTOM 레이어 상에 있습니다.

주파수 스캔(Spectral scan)을 통해 회로기판에서 발생하는 신호들을 확인할 수 있습니다. 어떤 신호들은 발진기나 클록(harmonic)에서 나오는 경우도 있고 어떤 경우에는 기생 성분 형태의 발진이나 또는 대책이 좀더 어려운 링잉(ringing) 같은
노이즈에서 발생할 때도 있습니다. 이 주파수 스캔을 통하면 회로기판에서 발생하는 모든 종류의 신호를 확인할 수 있게 됩니다.

Fig.6 에서 한가지 주파수 스캔 측정 결과를 볼 수 있는데 여기에서 24MHz 클록의 과도 전류가 만드는 고조파와 FM 방송
신호 대역(88-108MHz)에서 발생하는 EMI 를 확인할 수 있습니다.

주파수 스캔(Spectral scan)과 필드스캔(Spatial scan) 방법을 이용하여 해당 신호의 전류 흐름의 경로를 확인할 수 있으며 이는 SI 문제나 EMI/EMC 문제를 최소화 하기 위한 아주 중요한 정보입니다.

Fig.7 에서 보면 디커플링 캐패시터와 페라이트를 적욯하지 않은 상태에서는 전류의 루프 크기가 상당히 크다는 것을 알 수 있습니다.

커다란 크기의 전류 루프는 클록 신호의 왜곡을 발생시키고 고주파 체배신호의 노이즈 방사와 인접 보드 또는 케이블 간에
크로스톡(crosstalk) 아울러 전원공급단이나 전원케이블 등에서의 인젝션 노이즈를 발생시키게 됩니다.

디커플링 캐패시터를 적용한 회로 네트워크 상에서는 과도 전류가 디캡의 경로로 진행되어 루프의 크기가 줄어든 상태가
되었으며 EMI 전류가 클록 IC 부근으로 제한되었습니다. (Fig. 8 참조).

붉은 색으로 표시된 부분은 여전히 색깔이 붉은 상태이지만 이전 결과와 비교 시 그 값은 실제로 16dB 정도 낮아진 상태입니다.

이 경우 전형적인 질문으로는:

“디커플링 캐패시터가 사용 되었나요 ?”.

이에 대한 답변은 언제나 :

“물론이지요. 100nF 캐패시터가 사용되었습니다!”.

가끔은 보드 시스템 상에 캐패시터(디커플링 회로)를 사용하고는 있지만 터미널 임피던스가 선택된 회로 구성과 매칭되지 않아 전혀 효과가 없는 경우가 발생합니다. 캐패시터의 기술/효과가 정확하지 않거나 또는 레이아웃과 패키지의 기생 효과가 주요 성분으로 작용하는 경우가 있습니다. 근접장(near-field) 측정 방식을 통해 내가 적용한 디커플링 시스템이 정말로 효과적인 동작을 하고 있는지 확인할 수 있습니다.

어떠한 툴을 사용하든 신호를 제대로 볼 수 있다면 아주 강력한 도구가 됩니다. 유용한 정보: