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MLCC를 이용한 SMPS의 EMI 저감 설계
Design of EMI Reduction of SMPS Using MLCC Filters 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.4, 2020년, pp.97 - 105  

최병인 (서울과학기술대학교 나노IT디자인 융합기술대학원) ,  좌성훈 (서울과학기술대학교 나노IT디자인 융합기술대학원)

초록
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최근 초고속 이더넷(ethernet)의 데이터 및 동작주파수 속도가 증가하고 있으며, 이에 따라 EMI(electromagnetic interference)가 증가하고 있다. 이러한 EMI의 발생은 주변 전자기기들에 영향을 미쳐 오동작 원인이 될 가능성이 높다. 본 연구에서는 고속 이더넷 스위치 EMI 발생의 주요 원인인 DC-DC SMPS (switching mode power supply)에서 발생하는 EMI 저감을 위해 EMI 필터를 적용하였다. EMI 필터소자는 소형화, 양산화에 장점을 가지며, 내전압(dielectric voltage) 특성이 우수한 MLCC (multi-layer ceramic capacitor)를 사용하였다. MLCC 필터는 X-커패시터 및 X, Y-커패시터로 구성되어 있다. X-커패시터는 10 nF 및 100 nF 용량의 2개의 MLCC와 1개의 마일러 콘덴서(mylar capacitor)로 구성하였다. Y-커패시터는 용량 27 nF의 6개의 MLCC를 사용하여 구성하였다. X-커패시터만을 EMI 필터로 적용한 경우, 전도성(conductive) EMI는 150 kHz ~ 30 MHz의 주파수 대역에서 EMI 전계강도가 허용 한계치를 초과함을 알 수 있었다. 또한 방사성(radiative) EMI도 특정 주파수에서 EMI 전계 강도가 높고, 허용 마진폭도 매우 적음을 알 수 있었다. 반면 X, Y-커패시터를 적용하였을 경우, 전 주파수 대역에서 전도성 EMI가 크게 감소하였으며, 방사선 EMI도 충분한 마진이 확보됨을 알 수 있었다. 또한 X, Y-커패시터의 전기적인 신뢰성을 평가하기 위하여 절연 저항(insulation resistance) 및 내전압 성능을 측정하였으며, 절연 저항 및 내저항 성능이 모두 전기적 신뢰성 기준을 만족함을 알 수 있었다. 결론적으로 MLCC 필터를 X, Y-커패시터로 사용하여 전도성 및 방사성 EMI 노이즈가 효과적으로 감소되었고, 우수한 전기적인 신뢰성도 확보됨을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, as the data speed and operating frequencies of Ethernet keeps increasing, electro magnetic interference (EMI) also becomes increasing. The generation of such EMI will cause malfunction of near electronic devices. In this study, EMI filters were applied to reduce the EMI generated by DC-DC ...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 변화되어 전계강도의 변화가 일어나게 된다. 논문에서는 X, Y-커패시터를 다단으로 사용하여 전도성, 방사성 EMI를 측정하였으며, 저주파대역의 방사성 EMI가 개선되었음을 실험적으로 증명하였다.
  • 특히 MLCC는 표면실장, 즉 SMT (surface mount technology) 공정이 가능하기 때문에 대량 생산에 적합하다. 연구에서 사용된 MLCC의 용량은 27 nF, 내전압은 2 kV이며, 전원선에 3단 6개의 MLCC 필터를 적용하여 전도성 및 방사성 EMI를 개선하고자 하였다. 또한 DC-DC SMPS에서 요구되는 절연 저항 및 내전압 신뢰성 시험을 수행하였다.
  • 기존 DC-DC SMPS의 전원 노이즈 및 EMI 저감을 위한 소자로서 높은 내전압이 요구되는 회로에서는 전해 콘덴서(electrolytic condenser), 세라믹 콘덴서(ceramic condenser), 탄탈 커패시터(tantalum Capacitor) 등이 사용되었으나, 내전압이 높은 이러한 소자들의 크기가 매우 커서 시스템 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 본 연구에서는 DC-DC SMPS의 소형화에 유리한 높은 내전압을 갖는 소형 MLCC 다단 필터를 적용하여 SMPS의 EMI 발생을 저감시키고자 하였다. 특히 MLCC는 표면실장, 즉 SMT (surface mount technology) 공정이 가능하기 때문에 대량 생산에 적합하다.

가설 설정

  • EMI 노이즈는 식 (1) 및 (2)와 같이 정의되며, 전류의 변화율이 크면 EMI는 증가하고, 전류의 변화가 낮으면 EMI는 감소한다.18) 방사성, 전도성 EMI 개선을 위해서는 PCB 전원선 및 신호선을 쉴드 시키고, 커패시터 및 인덕터 소자를 사용하여 저역통과 필터를 적용하는 것이 일반적이다. 저역 통과 필터는 커패시터, 인덕터 용량에 따라서 차단주파수가 변화하여 방사성, 전도성 EMI 전계 강도의 변화가 발생하여 EMI가 감소하게 된다.
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참고문헌 (18)

  1. S.-D. Kim and S.-Y. Jeong, "Electronic interference (EMI) countermeasure technology for computers and information communication devices", The Korean Institute of Illumination and Electrical Installation Engineers, 13(4), 15 (1999). 

  2. M. Podbersic, V. Matko, and M. Segula, "An EMI Filter Selection Method Based on Spectrum of Digital Periodic Signal", MDPI sensor, 6(3), 90 (2006). 

  3. S.-H. Ryu, S.-B. Park, and S.-W. Kim, "PCB Layout Optimization Using External LDO for Low EMI", Proc. International Conference on Consumer Electronics (ICCE), Las Vegas, NV, USA, 610, IEEE (2015). 

  4. Y. S. Cao, Y. Wang, S. Wu, Z. Yang, and J. Fan, "PCB Edge Shielding Effectiveness Evaluation and Design Guidelines", Proc. Symposium on Electromagnetic Compatibility. Signal Integrity and Power Integrity (EMC. SI & PI), Long Beach, CA, USA, 269, IEEE (2018). 

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  7. K. Joo, T.-R. Kim, J. W. Hwang, J.-H. Yoon, M. J. Yim, and S. Y. Jeong, "Package-Level EMI Shielding Technology with Silver Paste for Various Applications", Proc. 67th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Orlando, FL, USA, 1736, IEEE (2017). 

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  10. J.-S. Jang and Y.-C. Kim, "Study on Elimination of EMI in ELF-Band for EPS-Based Smart TV Control", Journal of Koraea Multimedia Society, 18(3), 401 (2015). 

  11. J.-S. Kim, "SMPS EMC/EMS Technology trend and countermeasure technology", The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, 30(1), 29 (2019). 

  12. J. Kulanayagam, J. Hagmann, K. F. Hoffmann, and S. Dickmann, "New Efficient Filter Design for a Heat sink", RE&PQJ, 1(9), 581 (2011). 

  13. G. Felic and R. Evans, "Study of Heat sink EMI Effects in SMPS Circuits", Proc. IEEE EMC International Symposium. Symposium Record. International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Montreal, Que., Canada, 254, IEEE (2001). 

  14. J.-W. Lee, E.-S. Jung, K.-M. Kim, and H.-R. Yoon, "A Study on the Low Noise Medical SMPS", Korea Academy Industrial Cooperation Society, 53 (2001). 

  15. C.-H. Jun, J.-H. Jung, J.-H. Joo, J.-Y. Lee, S.-H. Han, and H.-T Jun, "The Design Method of Y-Capacitor Reducing CM-Noise in HV Inverter Motor System", Proc. The Korean Society of Automotive Engineers Autumn Conference and Exhibition, 629 (2016). 

  16. H.-P. Park and J.-H. Jung, "Parallel-Series LLC Resonant Converter using Spread Spectrum Technique of Switching Frequency for Suppressing EM Noise", Proc. Korean Institute of Electrical Engineers Conference, 811 (2018). 

  17. Y.-C. Son and S.-K. Su, "A Novel Active Common-mode EMI Filter for Mitigating Conducted EMI", Proc. Power Electronics Conference, The Korea Institute of Power Electronics, 91 (2002). 

  18. N.-H. Byeon, J.-S. Lee, Y.-C. Na, and S.-K. Hong, "A Study of EMI Noise Reduction for Boost Converter Considering Circuit Design Shape", Proc. The Korean Institute of Electrical Engineers Conference, 1017 (2014). 

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