개요: 이전에는 대형의 외부 필터 및 차폐형 케이블을 사용하는 것이 오디오/비디오 제품의 EMI/EMC 문제들을 해결하는 데 통용적으로 사용되는 방법이었다. 그러나 이 방법의 경우 비용이 추가되고 성능에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 제품 크기를 크게 만든다. 제품이 점점 소형화 되고 현재의 오디오/비디오 플레이어로 변화함에 따라 EMI/EMC 솔루션은 성능을 유지하거나 향상시키면서 동시에 크기가 줄어야만 했다. 이를 실현하기 위해 MAX9511 그래픽 비디오 인터페이스나 MAX9705 클래스 D 오디오 앰프와 같은 소자들이 개발되어 솔루션의 사이즈는 줄이면서 우수한 EMI 성능을 제공하고 있다. 이 같은 성능이 어떻게 구현되는지 설명하기 위해, 일반 PC의 오디오 및 디스플레이 인터페이스에서 소형임에도 불구하고 이러한 소자들을 통해 구현 가능한 EMI 성능을 살펴보려고 한다. 이 문서에서는 오디오/비디오 인터페이스 설계에서 해결해야 하는 여러 다른 EMI 문제와 이 문제 해결에 이용 가능한 방법들을 살펴본다.
전 세계에서 시판되는 모든 전자 제품은 판매되기 전에 간섭 현상을 유발하거나 다른 장치로 인해 간섭받지 않음을 입증하는 EMI/EMC 테스트를 거치게 된다. 테스트를 목적으로, 제품은 의도성 복사장치(intentional radiator) 및 비의도성 복사장치(unintentional radiator), 이 두 그룹으로 분류된다. 예를 들어, 휴대전화나 워키토키는 의도적으로 에너지를 방출하는 반면, TV, PC 또는 랩탑 컴퓨터는 그렇지 않다.
제품의 등급 및 관련 기관에 따라, EMI/EMC 요건이 다르다. 이와 무관하게 EMI/EMC 테스트는 크게 다음 2개의 범주로 분류된다.
방사 이 테스트 범주는 소자가 다른 소자와 간섭되지 않도록 한 제품이 방사하거나 전도할 수 있는 진폭 및 주파수를 한정한다.
감응도(또는 둔감도라고도 함) 이 테스트 범주는 제품과 간섭될 수 있는 방사되고 전도된 신호의 진폭 및 주파수를 한정하여 방사 요건을 보완한다.
위에서 언급한 바와 같이 장치를 통해 EMI가 방사될 수 있는 두 가지 방식이 전도(conduction) 및 방사(radiation)이다. 이 두 요소는 방사된 모든 EMI가 전류 흐름으로 인해 발생하기 때문에 서로 관련성이 있다. 그러나 모든 전류 흐름이 방사 현상을 유발하는 것은 아니다. 결과적으로 전도된 간섭 문제 이전에 방사된 간섭 문제가 조사되고 억제된다. 이 두 문제 중 방사가 예측/억제하기가 더 까다롭다. 이로 인해 비의도성 복사장치 제품군에서 가장 예상치 못한 방식으로 EMI 테스트에 불합격하게 된다. 이 문서에서는 수 많은 제품에서 볼 수 있는 오디오/비디오 인터페이스의 방사 문제 해결에 초점을 맞추려고 한다.
EMI/EMC 규정에 명시된 제한 사항을 충족시키기 위해 여러 방법을 사용할 수 있다. 그러나 이러한 방법들은 차폐 및 필터링의 일반적인 범주에 속하는 경향이 있다. 실제 이 방법들은 애플리케이션별 방식과 함께 조합되어 전반적인 EMI 솔루션을 구현한다. 예를 들어, 대부분의 제품에서 금속 섀시는 방사에 대한 보호 장치 역할을 하고 L-C 또는 R-C 필터는 입력/출력 와이어에 전도된 간섭 현상을 줄여준다. 또한 클록 디더링(dither)을 통해 스펙트럼을 확산시키고 특정 애플리케이션에 요구되는 필터링 및 차폐 정도를 감소시킬 수도 있다.
성능이 적절하다고 판단되면, 승인된 연구소에서 공식적으로 제품에 대한 테스트가 실시된다. 이 테스트에 통과하면 시판이 가능하다. 그러나 실패할 경우엔 문제가 된다. 이 문제를 교정하기 위해 약간만 변경해도 구현하는데 까지는 상당한 시간이 소요될 수 있다. 이 경우, EMI/EMC 규격 준수 테스트 합격이 국제 시장은 물론 국내 시장에서도 필수적이기 때문에 시장 진출 시간이 지연될 수 있다.¹ 결과적으로 제품이 위와 같은 테스트에 합격하기 위해 EMI 설계로 인해 비디오 성능이 저하되는 경우가 허다하다. 이러한 비디오 저하 문제는 최신 설계에서 EMI 테스트 통과에 필요한 부품의 크기와 비용으로 인해 더욱 악화된다.
이 같은 설계 문제는 제품 크기 감소 및 고성능을 기대하는 최신 오디오/비디오 아날로그 인터페이스에 특히 그러하다. 이 문제를 해결하는 첫 단계는 대부분의 EMI/EMC 문제가 발생하는 장소를 찾아 가능한 해결책을 모색하는 것이다.
문제가 발생하는 부분
EMI/EMC 문제는 제품 설계 중 가장 취약한 부분, 즉, 신호 (및 간섭)이 차폐되고 필터링된 구조를 출입하는 부분에서 발생한다. 오디오/비디오 인터페이스에서는 장치에 연결되어 안테나 역할을 하는 케이블이 이에 해당된다. 디스플레이와 스피커를 PC에 부착시키는 케이블링은 특히 취약하여 종종 EMI/EMC 문제를 유발하기도 한다. 관련 대역폭이 크기 때문에 비디오에 이러한 문제가 있다고 예상할 순 있지만 오디오는 주파수가 낮아 문제가 없는 것으로 나타나게 된다. 이 같은 경우는 오디오 앰프가 모두 클래스 A인 경우였다. 그러나 현재 사용되는 고효율 클래스 D 앰프²에는 고주파 스위칭 신호가 있어 제대로 필터링되거나 차폐되지 않으면 EMI 문제가 발생할 수 있다.
이전에는 대형의 외부 필터 및/또는 차폐형 케이블을 사용하는 것이 이와 같은 문제들을 해결하는 데 통용적으로 사용되는 방법이었다. 그러나 이 방법의 경우 비용이 추가되고 성능에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 제품 크기를 크게 만든다. 제품이 점점 소형화 되고 현재의 오디오/비디오 플레이어로 변화함에 따라 EMI/EMC 솔루션은 성능을 유지하거나 향상되면서 동시에 크기가 줄어야만 했다. 이를 실현하기 위해 MAX9511 그래픽 비디오 인터페이스나 MAX9705 클래스 D 오디오 앰프와 같은 소형 소자들이 개발되어 우수한 EMI 성능을 제공하고 있다. 이 같은 성능이 어떻게 구현되었는지 설명하기 위해 일반 PC의 오디오 및 디스플레이 인터페이스³에서 소형임에도 불구하고 이러한 소자들을 통해 구현 가능한 EMI 성능을 살펴보려고 한다. 그러나 먼저 오디오/비디오 인터페이스 설계를 위해 해결해야 하는 여러 다른 EMI 문제들을 이해하고 문제 해결에 이용 가능한 방법들을 파악해야 한다.
Video 및 EMI
모든 컴퓨터는 TV와는 다른 비디오 형식("그래픽")을 사용한다.4 컴퓨터 비디오에는 적색, 녹색 및 청색(R, G, B) 아날로그 비디오 신호와 수평 및 수직 동기와 DDC5로 구성된 별도의 로직 신호가 있다. 이들 신호는 모두 매우 빠른 상승/하강 시간을 갖는다. 비디오 커넥터는 일반적으로 디스플레이를 PC에 연결하는 고밀도의 D 서브미니어처 형식이다(그림 1). 이 커넥터에 비디오 신호 차폐(동축)과 방사되고 전도된 EMI를 줄일 수 있는 공통 모드 초크(CMC)가 적용되어 있더라도 추가 필터링이 있어야 EMI 요건이 충족될 수 있다. 방송 비디오 애플리케이션의 경우, TV에서의 비디오로부터의 앨리어싱 아티팩트를 제거할 때 이와 유사한 필터링이 사용된다. 그러나 가능한 한 최고의 해상도로 바둑판 형태의 "ON" 및 "OFF" 픽셀을 재현하는 데 목적을 둔 그래픽 비디오에는 이 필터링이 실시되지 않는다. 그러므로 최상의 디스플레이 성능을 위해 가능한 최대의 대역폭을 원한다. 유감스럽게도, 현실적으로는 EMI 및 비디오 성능이 절충되므로 비디오 대역폭에 손실이 있다. 이 절충은 다중신호 비디오 인터페이스 특유의 여러 이유로 인해 발생한다.
그림 1. EMI 방사를 유발하는 비디오 신호를 갖는 일반적인 VGA 연결부가 표시되어 있다.
예를 들면, 비디오 신호를 필터링할 경우, 개별 비디오 채널(R, G 및 B)이 해당 타이밍에 가깝게 정합되지 않으면, 이미지 가장자리에서 "프링잉(fringing)"과 같은 문제를 유발시키는 시간 지연을 경험하게 된다. 이 같은 현상을 방지하기 위해, 그룹 지연 및 그룹 지연 정합 채널6이 매우 잘 제어되어야 한다. RGB 비디오는 이러한 파라미터에 특히 영향을 받는다.7 최상의 성능을 위해 그룹 지연이 주파수에 대해 일정해야 하며 ±0.5 픽셀 시간의 최소 그룹 지연 정합이 채널 간에 유지되어야 한다. 이처럼 가깝게 정합된다고 가정할 때, 동기 채널 역시 채널 지연을 추적하여 정확한 이미지 프레임 작업을 실시해야 한다. 이것이 끝나면 PC가 수용할 수 있는 다중 비디오 해상도에 관한 문제를 검토할 필요가 있다.
이 애플리케이션의 경우, 고정된 주파수 필터를 사용하여 성능을 최적화하는 것은 매우 어려운 일이다. 최저 해상도에서 발생하는 EMI를 억제하기 위해 필터를 설계할 경우, 필터의 정지대역이 더 높은 해상도 포맷이 가지는 신호 대역폭에 침투할 수 있어서 성능을 저하시킨다. 최고 해상도로 설계할 경우, EMI 요건을 충족하지 못할 수도 있다. 명확하게 말하자면, 사용 중인 디스플레이 해상도를 추적하는 주파수 응답을 지닌 "동조 가능한(tunable)" 필터가 최상의 솔루션이다. 그러나 이 방식을 사용하면 비용이 증가하고 제품 크기도 커질 수 있다. 둘째로, EMI 성능에 여전히 중요한 요소인 동기 및 DDC 드라이버의 매우 빠른 상승/하강 시간이다. 설계자는 완전한 EMI 솔루션에 이 상승/하강 시간을 필터링할 수 있는 방법을 반드시 포함시켜야 한다. 또한 플러그 앤 플레이 요건 충족을 위해 비디오 DAC 부하 검출과 같은 기존의 문제들도 존재한다.
MAX95118은 위에 설명된 모든 기능들을 수행한다. 그림 2에는 L-C 필터 및 필터없는 출력(raw output) 대비 MAX9511이 실장된 고해상도 그래픽 보드 출력 성능이 표시되어 있다.
그림 2. a) 필터링 없는 경우, b) 수동 LC 필터 사용 시, c) MAX9511 사용 시 방사된 EMI를 보여준다.
완전한 EMI 솔루션 (MAX9511)
그림 3에 표시된 MAX9511의 그래픽 비디오 인터페이스는 VGA에서 UXGA 해상도 범위에서 RGB 비디오에 채널 간 스큐 오차가 0.5ns 미만이며, 정합된 트리플 채널의 동조 가능한 EMI 필터를 제공한다. 하나의 저항(Rx)을 변경해서 동조 작업을 한다. 표 1에는 여러 VESA 해상도 및 해당 샘플링 클록 범위에 대한 저항 값 대비 슬루율의 관계가 표시되어 있다. 그림 4의 예를 보면, MAX54329 I²C 제어식 포텐쇼미터는 32개의 개별적인 필터 제어 스텝을 제공하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 표 1에서와 같이 대부분의 애플리케이션에서는 3개 또는 4개의 레벨만 있으면 된다. 따라서 최종 EMI/EMC 테스트가 실시되는 동안 기계적 또는 전기적인 변경 없이 제품의 EMI 프로파일을 수정할 수 있다.
그림 3. MAX9511 VGA 인터페이스에는 EMI 억제 기능이 내장되어 있다.
그림 4. 그림 4. MAX9511은 다중 출력을 구동한다. 가변 필터링은 MAX5432 I²C 가변 디지털 포텐쇼미터로 제어된다.
표 1. MAX9511의 슬루율, 대역폭 및 Rx의 값
Rx (kΩ)
MAX9511의 슬루율 vs. Rx
슬루율 (V/ms)
픽셀 클록 주파수 (MHz)
VESA 해상도
7
1408
160 to 230
UXGA (1600 x 1200)
10
1255
160 to 230
UXGA (1600 x 1200)
12
1050
100 to 150
SXGA (1280 x 1024)
15
810
100 to 150
SXGA (1280 x 1024)
20
613
45 to 95
XGA (1024 x 768)
25
470
45 to 95
XGA (1024 x 768)
30
368
45 to 95
XGA (1024 x 768)
35
298
35 to 50
XGA (1024 x 768)
40
255
35 to 50
SVGA (800 x 600)
45
203
35 to 50
SVGA (800 x 600)
50
158
25 to 30
VGA (640 x 480)
> 50
< 150
< 25
QCIF
RGB 비디오 출력은 로우 임피던스(ZOUT < 1Ω)이고, 백 터미네이션이 75Ω인 경우, 원격 모니터와 도킹 스테이션 간 45dB ~ 50dB의 분리도를 제공한다. 기존에는 이와 같은 방식으로 2개의 다른 출력을 구동할 때, L-C 필터 출력에 길고 종단되지 않은 스터브를 부착하지 않도록 스위치가 필요했다. 그림 4는 출력 부하가 어떻게 검출되며 이것이 분명한 DAC 종단 임피던스의 변화로 입력에 반영되는지 보여주고 있다. RGB 입력을 구동하는 비디오 컨트롤러는 이를 감지할 수 있으며, 부하가 없는 경우, 셧다운 핀을 통해 비디오 및 동기 출력을 셧다운 시킬 수 있다. DDC는 플러그 앤 플레이 애플리케이션을 지원할 수 있도록 항상 동작한다. 드라이버는 저전압 컨트롤러 레벨을 표준 5V 인터페이스 레벨로 전환할 수 있는 전압 레벨 변환 기능을 갖고 있다. 동기 드라이버의 경우, 1개의 외부 커패시터로 에지를 필터링하도록 구성 가능한 50W(일반)의 출력 임피던스를 갖는다(그림 4). 동기 지터(커패시터가 없을 경우)는 일반적으로 0.5ns 미만이다. 비디오 성능은 SNR이 50dB인 +6dB의 이득, 0.036%의 선형 오차 및 잘 댐핑된 응답 성능의 1% 미만 오버슛/언더슛을 갖는다.
Audio 및 EMI
오디오의 경우, EMI를 유발하지 않고 효율 및 성능을 구현하려면 또 다른 종류의 문제를 갖는다. 휴대용 애플리케이션의 경우, 배터리 수명을 최대화하는 반면 비효율적인 설계로 인해 열이 발생되는 것은 원치 않기 때문에 클래스 D 오디오 앰프가 널리 사용되고 있다. 단, 클래스 D 오디오 앰프의 문제는 높은 효율을 얻기 위해 PWM을 사용하므로 스위칭 전원과 매우 유사하다는 것이다. 차폐되지 않은 스피커 와이어를 출력에 부착할 경우, 안테나로 작용하여 EMI를 방사하게 된다. 클록 주파수가 오디오 스펙트럼 (대개 300kHz ~ 1MHz) 이상이긴 하지만 고조파 성분이 상당한 구형파이다. 이 고조파 성분을 제거할 수 있는 필터는 대형일뿐더러 비용도 상당하다. 따라서 이 필터는 크기만 감안하더라도 랩탑 컴퓨터와 같은 휴대용 애플리케이션에서는 선택할 것이 못 된다.10
일반적인 설계 토폴로지 역시 도움이 되지는 않는다. 오디오 출력을 최대화하기 위해서 휴대용 애플리케이션에는 두 스피커 와이어 모두가 능동적으로 구동되는 BTL(Bridge-tied-load)이라는 출력 연결을 사용한다(그림 5). 클래스 D의 경우, 비교기가 아날로그 입력 전압을 모니터링하여 삼각형 클록 파형과 이를 비교한다. 비교기는 삼각형 파형의 입력 크기가 오디오 입력 전압을 초과할 때 기동되며 인버터가 상보 대칭 PWM 파형을 생성하여 BTL 출력 단의 다른 쪽을 구동시킨다. 이 BTL 기술 때문에 출력 필터에는 실제로 단일 종단 오디오 출력 부품의 2배에 해당되는 부품(인덕터 2개: L1 및 L2, 커패시터 2개: C1 및 C2)이 요구된다. 인덕터가 최대 출력 전류를 처리해야 하기 때문에 크기가 크고 공간의 대부분을 차지하게 된다.
그림 5. 일반적인 Maxim 클래스 D 오디오 앰프의 능동 방사 제한 기법
클래스 D 앰프의 경우, 스피커 보이스 코일 인덕턴스와 별도의 커패시터를 사용하여 필터를 구현하면 필터 없이 동작되는 것처럼 만들 수 있다. 그러나 와이어에서 여전히 상당량의 에너지가 방사되기 때문에 내장 스피커로 제한된다. 대안은 스위칭 프로세스를 변경하는 것인데, 이 경우 앰프가 매우 효율적으로 유지되면서 EMI가 더 적어지므로 보다 작은 필터만 있으면 된다. 이를 실행하는 한 가지 방법이 클록의 주파수를 변조하여 Hz 단위 기준에서의 에너지를 줄이는 것이다.11 이를 확산 스펙트럼 변조(Spread-spectrum modulation)12 또는 클록 주파수 디더링(dithering)이라고 한다. 그러나 스펙트럼은 반사량이 증가하여 효과가 떨어지기 전까지만 확산될 수 있다. 그림 6에는 일반 방사 프로파일에 이 방법을 사용했을 때 얻게 되는 결과가 나와 있다.
그림 6. MAX9705EVKIT(12인치의 비차폐형 트위스트 페어)을 사용하여 얻은 MAX9705의 방사 데이터를 통한 확산 스펙트럼 변조 효과
확산 스펙트럼 변조만 가진 부품에서는, 오디오 출력이 수백 밀리와트가 넘을 경우 몇 인치 이상의 긴 스피커 와이어는 너무 많은 에너지를 방사한다. 클록 주파수를 증가시켜도 별 도움은 되지 않는데, 왜냐하면 주파수가 증가하면 클래스 D 앰프의 출력 스펙트럼은 점점 감소하기 때문이다. 그러나 스피커 와이어는 안테나로서의 효율이 증가하여 향상된 성능을 눈에 띄게 상쇄시킨다. EMI를 더욱 개선시키려면 클래스 D 앰프 자체에서 사용되는 PWM 파형을 변경해야 한다. 이는 능동 방사 제한(Active emissions limiting)이라는 애플리케이션 특유의 방법을 통해 이루어진다.
능동 방사 제한 회로는 그림 5에서와 같이 설계 시 제한되지 않는 최소 펄스 폭을 앰프에 설정한다. 오버랩, 상승/하강 시간 및 클록 주파수 제어와 함께 이 폭은 정해진 출력 레벨에 대해 프로세스가 생성13하는 전력 스펙트럼을 경계 짓는다. 그 목적은 소자가 최대 24 인치의 외부 스피커 와이어 상태에서 외부 필터링 없이 동작하면서도 방사 제한 값을 충족시킬 수 있는 레벨로 스펙트럼을 감소시키는 것이다.
오디오 성능도 당연히 필요하며, 그러기 위해서는 2W보다 큰 피크 출력이 필요하다. 동시에, 열도 감소시키면서 배터리 수명을 최대화하고자 한다. 그러므로 헤드폰 용도에 적합한 저전압 단일 전원 및 저전력 셧다운 모드에서 동작시키면서 높은 효율을 얻으려고 한다. 이 경우, THD+N은 낮아야 하고, 클릭 앤 팝 억제와 함께 SNR은 높아야 하며, 입력은 단일 종단이나 차동 입력과 호환되어야 한다. MAX9705는 다음 살펴볼 내용에서 확인할 수 있듯이 위에 설명된 모든 작업 이상을 처리할 수 있다.
능동 방사 제한 (MAX9705)
Maxim 클래스 D 앰프의 능동 방사 제한에 사용되는 이 기법은 그림 7에 도식으로 표시되어 있다. 이 그림에서 확인할 수 없는 사항은 스위칭이 이루어지는 방식이다. 드라이브를 철저하게 맞춤설계하고 제로 데드 타임 제어를 사용하므로 MAX9705 클래스 D 앰프의 효율은 85% 이상이다. 독창적인 특허 기술인 확산 스펙트럼 변조 모드는 스펙트럼 성분을 평평하게 하여 케이블 및 스피커에서 방출된 EMI 방사량을 감소시켜 준다. 스테레오 또는 멀티채널 동작 시, 동기 입력이 앰프를 800kHz ~ 2MHz의 동일 클록 범위로 고정하여 여러 프리 러닝 소스(free-running source)로 인해 발생하게 되는 상호 변조 기생신호를 최소화시킨다. 확산 스펙트럼 변조 및 능동 방사 제한이라는 두 가지 독창적인 기술을 조합한 Maxim의 클래스 D 오디오 앰프는 FCC Part 15에 명시된 EMI 제한을 초과하지 않으면서 최대 24인치의 비차폐형 스피커 와이어를 "필터없이" 사용할 수 있다(그림 8).
그림 7. MAX9705 클래스 D 앰프는 차동 입력과 내부 발생 톱니파(sawtooth)를 갖고 있다. 단일 종단 입력이 사용되는 경우, 차동 입력이 내부적으로 생성된다.
그림 8. 확산 스펙트럼 변조 모드에서 24인치, 비차폐형 트위스트 페어에 대한 MAX9705 방사 데이터
EMI 뿐만 아니라 오디오 성능도 탁월해서 THD+N가 1W에서 0.02%(2.3W에선 1%까지 증가)이고 SNR이 90dB이다. 입력은 +6dB, +12dB, +15.6dB 또는 +20dB의 고정 이득을 갖는 차동 입력이나 단일 종단 입력이므로 어떤 애플리케이션에도 적용할 수 있다(그림 7). 셧다운은 전력을 최소화해준다. 또한 동기 입력은 MAX9705가 모노, 스테레오 또는 멀티채널 고성능 오디오를 제공하면서 필터 없이 외부 스피커 사용시에도 EMI 방사 요건을 충족할 수 있도록 해준다.
결론
MAX9511 및 MAX9705는 최신 EMI/EMC 제어 방식을 대표한다. 또한 이 두 부품은 사용되는 제품의 EMI을 능동적으로 감소시켜 준다. 이전과 같이 비용 및 크기가 필연적으로 증가되는 대형 외부 필터 및 차폐에 의존하지 않고 최신 기술을 활용하여 사실상 전자기 호환성 및 성능을 보장한다.
참고 자료
FCC Part 15(미국), VCCI(일본) 및 EN55000(유럽) 모두 EMI/EMC 준수를 요구하고 있다.
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