[논문]RS-170a 영상 신호에 대한 EMI 및 낙뢰 간접영향 보호 설계

조성진; 심용기; 김성훈; 박준현

doi:10.12673/jant.2019.23.5.444

RS-170a 영상 신호에 대한 EMI 및 낙뢰 간접영향 보호 설계
Protection Design for EMI and Indirect Lightning Effect for RS-170a Video Signal 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.5, 2019년, pp.444 - 451

조성진 (LIG넥스원 항공연구소) , 심용기 (LIG넥스원 항공연구소) , 김성훈 (LIG넥스원 항공연구소) , 박준현 (LIG넥스원 항공연구소)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 항공기 탑재장비의 RS-170a 영상 신호에 대한 EMI 및 낙뢰 간접영향에 대한 보호 대책을 설명한다. 항공기 탑재장비는 외부 환경으로부터 발생하는 전자파 간섭과 항공기 낙뢰 피격시 발생하는 낙뢰 간접영향으로 부터 발생하는 서지 전압에 의해 장비의 오작동이나 물리적 손상의 위험에 노출되어있다. 이러한 위험으로부터 장비를 보호하기 위해서는 전자파 간섭 및 간접 낙뢰 효과에 대한 보호 설계를 장비에 적용해야 하는데, 신호의 전압이 낮고 주파수 대역이 높을수록 보호 회로에 의한 신호 왜곡이 문제가 된다. 따라서 본 논문에서는 EMI 및 낙뢰 간접영향에 대한 일반적인 보호 설계 방법과, RS-170a 신호를 기준으로 보호 설계 적용에 따른 영상 신호 왜곡 현상을 최소화하기 위한 고려 사항을 소개한다. 그리고 이 과정에서 논한 고려 사항을 적용해 실제 장비 설계를 개선한 사례를 소개한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we introduce the design consideration of the EMI and lightning induced transient protection circuit for RS-170a video signal on the avionics equipment. Avionics equipment is subject to the risk of malfunction or physical damage due to indirect lightning effect from lightning strike or electromagnetic interference from external environment. So in order to protect the avionics equipment from these effects, we should analyze the effect of electromagnetic interference and lightning strike on aircraft and apply protection design for each avionics device, but protection circuit may cause signal distortion if signal level is low and frequency is high. In this paper, we introduce common protection design for EMI and indirect lightning effect, and consideration for minimize signal distortion caused by protection circuit for RS-170a. In addition, we show some example of improvements to the actual equipment design using consideration discussed in this paper.

주제어

표/그림 (21)

그림 그림 1. 360° 쉴드 및 pigtail 쉴드 구성 Fig. 1. Configuration of 360° shield and pigtail shield.
그림 그림 2. 일반적인 LC 필터 구성 Fig. 2. Common types of LC ffilters.
그림 그림 3. LC 필터 통과 후 신호 파형 Fig. 3. Waveform after LC filter pass.
그림 그림 4. 항공기 동체 낙뢰 피격시 전류의 흐름 Fig. 4. Lightning current path for airplane body.
그림 그림 5. 일반적인 양방향 TVS 다이오드 회로 Fig. 5. Typical bi-directional TVS diode circuit.
그림 그림 6. TVS 다이오드의 기생 커패시턴스 Fig. 6. Parasitic capacitance of TVS diode.
그림 그림 7. RS-170a 영상 신호 Fig. 7. RS-170a video signal.
그림 그림 8. 양방향 TVS와 스위칭 다이오드 직렬연결 회로 Fig. 8. Series circuit of bi-directional TVS and switching diode.
그림 그림 9. Waveform 3와 waveform 4 Fig. 9. Waveform 3 and waveform 4.
그림 그림 10. 기존 RS-170a 신호용 보호회로 구성 Fig. 10. Previous configuration of RS-170a protection circuit.
그림 그림 11. RS-170a 영상 왜곡 현상 Fig. 11. RS-170a video distortion.
그림 그림 12. CS114 시험 중 영상 문제 Fig. 12. Video problem during CS114 test.
그림 그림 13. 잘못된 pigtail 구성 Fig. 13. Invalid pigtail configuration.
그림 그림 14. Low capacitance TVS 내부 구성 Fig. 14. Internal configuration of low capacitance TVS.
그림 그림 15. 올바른 pigtail 구성 Fig. 15. Correct pigtail configuration.
그림 그림 16. 핀 주입 시험 waveform 3 인가 파형 (정극성) Fig. 16. Pin injection graph of waveform 3 (positive).
그림 그림 17. 핀 주입 시험 waveform 3 인가 파형 (부극성) Fig. 17. Pin injection graph of waveform 3 (negative).
그림 그림 18. 핀 주입 시험 waveform 4 인가 파형 (정극성) Fig. 18. Pin injection graph of waveform 4 (positive).
그림 그림 19. 핀 주입 시험 waveform 4 인가 파형 (부극성) Fig. 19. Pin injection graph of waveform 4 (negative).
그림 그림 20. 왜곡 현상이 개선된 영상 Fig. 20. Video with improved distortion.
그림 그림 21. RE102 방사 시험 결과 Fig. 21. RE102 radiation test result.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이에 따라 본 논문에서는 RS-170a 아날로그 영상 신호를 예로 들어 전자파 간섭 및 낙뢰 간접영향 보호 설계시 고려할 사항 및 적용방안에 대해 서술한다. 그리고 실제 탑재장비에서 발생하였던 문제 상황과 이를 해결하기 위해 적용한 설계 개선 방법을 소개한다.
본 논문에서는 항공기 탑재 장비의 EMI 및 낙뢰 간접영향 보호를 위한 케이블 쉴드, π-형 필터 및 TVS 다이오드 소자의 선정 기준을 제시하였고, 보호회로의 커패시턴스 성분으로 인한 영향을 분석하였다.
항공기 탑재장비의 대부분의 입출력 신호는 저속 discrete 신호이기 때문에 어느 정도 왜곡이 생겨도 별 문제가 없지만, 연속성이 있는 아날로그 신호의 경우에는 작은 왜곡도 큰 문제가 될 수 있다. 이에 따라 본 논문에서는 RS-170a 아날로그 영상 신호를 예로 들어 전자파 간섭 및 낙뢰 간접영향 보호 설계시 고려할 사항 및 적용방안에 대해 서술한다. 그리고 실제 탑재장비에서 발생하였던 문제 상황과 이를 해결하기 위해 적용한 설계 개선 방법을 소개한다.

가설 설정

여기에서 Vc는 보호회로에 적용할 TVS 다이오드 소자의 maximum clamping voltage 값이며, 이 수식에서는 11.2 V로 가정하고 계산하였다. 그 결과 waveform 4에 대한 피크 전류는 약 57.
는 TVS 다이오드의 maximum peak pulse current 값을 뜻하며, 69μs 및 1000μs에서의 값은 TVS 다이오드의 데이터시트에 첨부된 그래프를 통해 확인할 수 있다. 이 수식에서는 각각 4500 W, 1500 W로 가정하였고, 그 결과 최대 피크 전류는 약 300 A로 계산되었다. 이는 waveform 4의 피크 전류인 57.

제안 방법

그 결과 TVS 다이오드의 capacitance 값은 기존 10 nF 에서 100 pF 수준으로 크게 낮아졌다. CS114 내성 시험시 영상 왜곡 발생 문제는 그림15와 같이 시험용 케이블을 제대로 된 pigtail 방식으로 새로 작업하였다. pigtail은 앞서 소개하였듯이 drain wire의 길이가 길어질수록 효과가 반감되므로, 가능한 짧게 제작하였다.
낙뢰 간접영향 시험은 RTCA DO-160G Section 22 lightning induced transient susceptibility의 카테고리를 기준으로 핀 주입시험을 수행하였고, waveform 3, 4를 적용하였다. 실제 waveform 인가 파형 결과는 그림 16 ~ 그림 19와 같다.
그리고 실제 개발한 항공기 탑재 장비의RS-170a 아날로그 신호의 사례를 통해 보호 설계가 적절하지 않을 경우 발생할 수 있는 문제점을 확인하고, 개선된 보호 설계로 기존 문제점이 해결되는 것을 볼 수 있었다. 또한 항공기탑재장비에 적용하는 시험 규격에 따라 낙뢰간접영향 시험 및 EMI 시험을 수행하여 목표한 보호 기능을 수행하는지 검증하였다.
본 논문에서는 butterworth 필터를 기준으로 설계를 진행하였고, π-형 필터의 L과 C 값 선정을 위한 계산은 직접 계산하기에는 많은 연산 과정이 필요한 관계로 인터넷상에 무료로 공개되어 있는 툴을활용하여 L과 C 값을 얻었다[2].
직사각형이 왜곡되어 보이는 문제에 대한 해결책으로는 capacitance 값이 낮은 TVS 다이오드를 사용하는 방법을 선정하였다. π-형 필터는 기존에 사용한 100 pF 보다 낮은 값을 사용할 경우 cut-off 주파수가 너무 낮아져 영상에 왜곡이 발생할 것으로 판단되어 변경 없이 그대로 사용하였다.

대상 데이터

EMI 시험은 MIL-STD-461F army helicopter를 기준으로 수행하였다. 앞서 논의한 EMI 대책 개선안을 적용 후, 그림 20과같이 영상이 왜곡되는 현상이 사라짐을 확인하였고, CS114 내성 시험 시에도 특정 주파수 대역에서 간혹 희미한 물결무늬 노이즈가 관측되긴 했지만 색상이나 형태가 왜곡되는 현상은 사라졌으며, RE102 방사 시험도 그림 21과 같이 기준치 이하로 통과하였다.
π-형 필터는 기존에 사용한 100 pF 보다 낮은 값을 사용할 경우 cut-off 주파수가 너무 낮아져 영상에 왜곡이 발생할 것으로 판단되어 변경 없이 그대로 사용하였다. TVS 다이오드는 Microsemi 사의 low-capacitance TVS 제품군을 선정하였다. 해당 제품군은 그림 14와 같이 내부적으로 TVS 다이오드와 스위칭다이오드를 직렬연결하여 구성한 제품군으로, 그 중 1500W 급 TVS 다이오드를 선정하여 교체하였다.
본 논문에서 진행한 장비 개발 과정에서, RS-170a 신호에 대한 보호회로를 다음 그림 10과 같이 구성한 사례가 있었다. 이 사례에서는 보호회로를 통과한 후 영상이 그림 11과 같이 직사각형의 좌우 테두리가 둥글게 왜곡되어 보이는 현상이 발생하였고, MIL-STD-461F의 CS114 내성 시험시 영상에 노이즈가 유입되어 그림 12과 같이 좌측의 컬러바 영상이 우측과 같이 알아보기 어렵게 형태와 색상이 변형되는 현상도 발생하였다.
TVS 다이오드는 Microsemi 사의 low-capacitance TVS 제품군을 선정하였다. 해당 제품군은 그림 14와 같이 내부적으로 TVS 다이오드와 스위칭다이오드를 직렬연결하여 구성한 제품군으로, 그 중 1500W 급 TVS 다이오드를 선정하여 교체하였다. 그 결과 TVS 다이오드의 capacitance 값은 기존 10 nF 에서 100 pF 수준으로 크게 낮아졌다.

성능/효과

CS114 내성 시험시 영상 왜곡이 발생하는 문제는 케이블의 커넥터 부위에 은박지를 감싸고 시험하면 증상이 완화되는 것을 확인할 수 있었고, 이에 따라 영상 신호선의 쉴드와 케이블 간의 연결상태에 문제가 있는 것으로 판단하였다. 그래서 케이블을 분석한 결과 pigtail이 적절하지 않은 방법으로 쉴드 처리가 되어있음을 확인할 수 있었다.
그래서 케이블을 분석한 결과 pigtail이 적절하지 않은 방법으로 쉴드 처리가 되어있음을 확인할 수 있었다. 각 와이어의 쉴드에 각각 drain wire를 연결하여 커넥터에 부착하는 것이 제대로 된 방식이나, 그림 13과 같이 하나의 drain wire를 여러 쉴드에 연결하여 daisy chain 처럼 구성한 것을 확인하였다. 이 경우 drain wire의 길이가 너무 길어져 쉴드의 효과가 크게 감소하게 된다.
해당 제품군은 그림 14와 같이 내부적으로 TVS 다이오드와 스위칭다이오드를 직렬연결하여 구성한 제품군으로, 그 중 1500W 급 TVS 다이오드를 선정하여 교체하였다. 그 결과 TVS 다이오드의 capacitance 값은 기존 10 nF 에서 100 pF 수준으로 크게 낮아졌다. CS114 내성 시험시 영상 왜곡 발생 문제는 그림15와 같이 시험용 케이블을 제대로 된 pigtail 방식으로 새로 작업하였다.
CS114 내성 시험시 영상 왜곡이 발생하는 문제는 케이블의 커넥터 부위에 은박지를 감싸고 시험하면 증상이 완화되는 것을 확인할 수 있었고, 이에 따라 영상 신호선의 쉴드와 케이블 간의 연결상태에 문제가 있는 것으로 판단하였다. 그래서 케이블을 분석한 결과 pigtail이 적절하지 않은 방법으로 쉴드 처리가 되어있음을 확인할 수 있었다. 각 와이어의 쉴드에 각각 drain wire를 연결하여 커넥터에 부착하는 것이 제대로 된 방식이나, 그림 13과 같이 하나의 drain wire를 여러 쉴드에 연결하여 daisy chain 처럼 구성한 것을 확인하였다.
본 논문에서는 항공기 탑재 장비의 EMI 및 낙뢰 간접영향 보호를 위한 케이블 쉴드, π-형 필터 및 TVS 다이오드 소자의 선정 기준을 제시하였고, 보호회로의 커패시턴스 성분으로 인한 영향을 분석하였다. 그리고 실제 개발한 항공기 탑재 장비의RS-170a 아날로그 신호의 사례를 통해 보호 설계가 적절하지 않을 경우 발생할 수 있는 문제점을 확인하고, 개선된 보호 설계로 기존 문제점이 해결되는 것을 볼 수 있었다. 또한 항공기탑재장비에 적용하는 시험 규격에 따라 낙뢰간접영향 시험 및 EMI 시험을 수행하여 목표한 보호 기능을 수행하는지 검증하였다.
본 논문에서 진행한 장비 개발 과정에서, RS-170a 신호에 대한 보호회로를 다음 그림 10과 같이 구성한 사례가 있었다. 이 사례에서는 보호회로를 통과한 후 영상이 그림 11과 같이 직사각형의 좌우 테두리가 둥글게 왜곡되어 보이는 현상이 발생하였고, MIL-STD-461F의 CS114 내성 시험시 영상에 노이즈가 유입되어 그림 12과 같이 좌측의 컬러바 영상이 우측과 같이 알아보기 어렵게 형태와 색상이 변형되는 현상도 발생하였다.
이상현상 분석 결과, 직사각형의 좌우 테두리가 둥글게 왜곡되는 현상은 π-형 필터와 TVS 다이오드를 제거할 경우 증상이 사라졌으며, π-형 필터와 TVS 다이오드의 capacitance 값과 비슷한 용량의 커패시터를 장착할 경우 다시 재현되는 것을 확인할 수 있었다.
특히 π-형 필터의 커패시터는 100 pF를 사용하여서 합산 최대 200 pF 수준의 capacitance 값을 가져 비교적 큰 영향은 없었으나, TVS 다이오드의 경우 약 10 nF 수준의 높은 capacitance를 가지는 것으로 확인되어 이상 증상의 가장 큰 원인으로 특정할 수 있었다.

후속연구

2 MHz의 특성을 가지도록 계산하면 L ≒ 5684 nH,C ≒ 505 pF 의 결과값을 얻을 수 있다. L과 C 값은 cut-off 주파수에 반비례 하는 관계를 가지므로, 회로 설계 시 위의 계산값보다 C 값이 낮은 소자를 선정하되, C 값이 너무 낮아 cut-off 주파수가 너무 높아지면 노이즈가 충분히 걸러지지 않을 수 있으므로 실제 검증시험을 통해 적절히 튜닝할 필요가 있다.
최근 항공기의 성능 향상, 제조비용 절감 및 정비의 용이성 등의 사유로 항공기 탑재장비들에 대한 디지털화가 진전되고,복합소재가 다량 채용됨에 따라 EMI 및 낙뢰 간접영향에 대한 취약성은 상대적으로 증가하고 있어 항공기 탑재장비에 대한 EMI 및 낙뢰 간접영향 대책의 중요성이 커지고 있다. 따라서 본 논문에서 논의하였던 고려 사항들과 시험 결과는 향후 유사 장비 개발 시 도움이 될 것으로 예상한다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신호선을 따라 유입되는 전자파 간섭 노이즈를 감쇄하기 위한 설계 방법은 무엇이 있는가?	신호선을 따라 유입되는 전자파 간섭 노이즈를 감쇄하기 위한 설계 방법으로는 쉴딩 처리한 케이블을 이용하는 방법이 일반적이며, 만약 쉴딩 처리만으로는 충분하지 않거나 다른 문제로 쉴딩 처리를 사용할 수 없는 경우에는 장비의 입력단에 LC 필터와 같은 수동형 필터를 부착하는 방법이 있다. 그리고 낙뢰 간접영향으로 유도되는 서지성 전압과 전류를 차단하기 위한 설계 방법으로는 TVS 다이오드를 장비의 입력단에 배치하는 방법이 일반적이다.
	LC 필터는 무엇인가?	신호선을 따라 유입되는 전자파 간섭 노이즈를 감쇄하기 위한 설계 방법으로는 쉴딩 처리한 케이블을 이용하는 방법이 일반적이며, 만약 쉴딩 처리만으로는 충분하지 않거나 다른 문제로 쉴딩 처리를 사용할 수 없는 경우에는 장비의 입력단에 LC 필터와 같은 수동형 필터를 부착하는 방법이 있다. 그리고 낙뢰 간접영향으로 유도되는 서지성 전압과 전류를 차단하기 위한 설계 방법으로는 TVS 다이오드를 장비의 입력단에 배치하는 방법이 일반적이다.
	항공기 탑재장비를 설계할 때 보호회로나 보호설계를 해야하는 까닭은 무엇인가?	항공기 탑재장비는 주변 장비에서 발생하는 전자파 간섭과 항공기 동체 낙뢰 피격시 신호선을 따라 유도되는 서지 전압 유입과 같은 외부 환경의 영향에 상시 노출되어 있다. 따라서 항공기 탑재장비를 설계할 때는 이러한 외부 환경의 영향에 의한 오작동이나 기능 상실이 발생하지 않도록 적절한 보호회로나 설계를 적용하여야 한다.

참고문헌 (8)

G. Bhooma et al., "Effectiveness of various shield termination methods of cables," in 2016 International conference on electromagnetic interference & compatibility (INCEMIC), Bangalore: India, pp. 1-4, Dec 2016.
Y. C Lim, M. H. Kim, S. W. Kim, and G. S. Ma, “Design and application of ${\pi}$ -type LC filter,” The korean society for aeronautical & space sciences, Vol. 2012, No. 11, pp. 1770-1776, Nov. 2012.
K. Walters, Parasitic capacitance in transient voltage suppressors and low-capacitance options, Microsemi corporation, Aliso Viejo, CA, Micronote 110, 2018.
J. Lepkowski, An introduction to transient voltage suppression devices, Semiconductor components industries, LLC, Phoenix, AZ, AND8229/D, 2005.
TVS diode surface mount - 3000W > SMDJ series, Littlefuse Inc : 8755 Higgins Rd #500, Chicago, IL 60631, Nov. 2015.
P. Lee, Introduction to analog video, Semiconductor components industries, LLC, Phoenix, AZ, AND8261/D, 2006.
M. Clark, Lightning protection for aircraft per RTCA/DO-160D and ARINC 429 protocol, Microsemi corporation, Scottsdale, AZ, Micronote 126, 2004.
Boeing, Lightning strikes:protection, inspection, and repair[Internet]. Available : https://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/articles/2012_q4/4/

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증