July 3, 2019

CST STUDIO SUITE을 이용한 EMI/EMC 해석

EMI/EMC란?우리는 일상생활 속에서 전자제품들이 저절로 켜지거나 꺼지는 상황들, 차량에서 핸드폰을 이용하여 통화할 때 스피커에서 “지지직-“ 거리는 소리가 들리는 상황 등을 경험하곤 합니다. 이런 일들이 발생하는 이유는 전기·전자 기기를 사용할 때 전파되는 원치 않는
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EMI/EMC란?

우리는 일상생활 속에서 전자제품들이 저절로 켜지거나 꺼지는 상황들, 차량에서 핸드폰을 이용하여 통화할 때 스피커에서 “지지직-“ 거리는 소리가 들리는 상황 등을 경험하곤 합니다. 이런 일들이 발생하는 이유는 전기·전자 기기를 사용할 때 전파되는 원치 않는 전자기력 에너지(보통 노이즈라 칭함)가 다른 장비에 영향을 줄 때 발생하게 됩니다. 이러한 영향은 제품의 신뢰성, 크게는 인명 사고로도 이어지고 있습니다. 경고 없이 갑자기 작동되는 에어백 문제로 약 백 만대의 차량을 리콜했던 사례가 있었으며, 핸드폰 사용으로 인해 수술용 의료기기가 오작동 하여 환자가 사망하는 사고도 있었습니다. 이렇게 전자기의 노이즈는 우리의 생활에 크고 작은 사고를 만들어 낼 수 있는 위험 요소라 볼 수 있습니다.



그림 1. 전기·전자 제품이 발생시키는 노이즈 성분


위와 같은 전자기 장해로 인한 사건 사고를 줄이기 위해서는 전기·전자 제품들을 개발 과정에서 기기에서 방출되는 전자기 노이즈 성분을 줄이고, 반대로 전자기 노이즈의 영향을 받았을 때 어느 정도 내성을 갖추도록 설계가 되어야 합니다. 이것을 확인하는 과정이 전자기 적합성(Electro Magnetic Compatibility – EMC) 시험입니다. 전자기 적합성(EMC) 시험은 전기·전자 제품이 어떤 분야에서 사용되느냐에 따라 다양한 규격(Standard)을 가지고 있습니다. 이 규격에는 전자기 적합성(EMC) 시험 환경 및 방법, 신호원, 노이즈의 허용치와 같은 정보들이 정의되어 있습니다. 따라서 제품에 맞는 규격에 따라 시험을 수행한 뒤, 전자기 노이즈가 허용치보다 높은 경우 허용치보다 낮은 노이즈를 갖기 위한 EMC 대책을 강구해야 합니다.



전자기 적합성(EMC) 시험은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있습니다. 하나는 전기·전자 기기가 외부로 얼마나 전자기 노이즈를 방출하는지 확인하는 전자기 장해(Electro Magnetic Interference – EMI), 다른 하나는 전기·전자 기기가 외부에서 전자기 노이즈를 받았을 경우 어느 정도의 내성을 갖추었는지를 확인하는 전자기 민감성(Electro Magnetic Susceptibility – EMS) 입니다. 또한, 이는 각각 방사성 전자기 노이즈에 의한 부분과(Radiated Emission – RE / Radiated susceptibility – RS) 전도성 전자기 노이즈에 의한 부분(Conducted Emission – CE / Conducted Susceptibility – CS)으로 나누어 볼 수 있습니다.




그림 2. EMC의 종류와 구분


전자기 적합성(EMC)은 노이즈가 어떠한 경로를 통해 방출되고, 유입되는지에 따라 다른 구분을 갖게 되고, 이러한 구분 내에서도 다양한 규격과 다양한 시험들이 존재합니다. 본문에서는 전자기 접합성(EMC)을 CST STUDIO SUITE을 이용하여 왜 시뮬레이션을 하여 분석해야 하는지, 그리고 어떠한 해석들을 진행할 수 있는지 소개 드리도록 하겠습니다.


EMI/EMC 분야에서 시뮬레이션의 필요성과 CST STUDIO SUITE의 장점



“눈으로 보는 전자기장”



전자기(Electromagnetic) 현상들은 눈으로 볼 수도, 느낄 수도 없습니다. 또한 직관적으로 현상이 나타나지 않기 때문에 전자기 적합성(EMC) 문제가 발생할 경우 어느 부분에서, 어떤 문제에 의해 발생하는지를 분석하는 것에 어려움이 있습니다. 하지만 전자기장 해석 소프트웨어들은 시각화된 전자기 필드 결과들을 통해 발생한 노이즈 성분들이 어떠한 경로를 통해 영향을 주고, 어떠한 부분에 크게 영향을 주는지에 대한 사항들을 파악하는데 도움을 줍니다.



그림 3. 시뮬레이션을 통해 본 Heat Sink에 의해 발생하는 전자기 장해(EMI)



“EMC 대책에 대한 분석”


그리고 전자기 적합성(EMC) 문제가 발생할 경우 EMC 엔지니어는 대책을 세우게 되는데, 이러한 대책에는 PCB layout 변경, 대책 소자 사용, 차폐(Shielding), 그라운드 접지 등 다양한 방법들이 존재합니다. 시뮬레이션에서는 이러한 대책들에 대한 쉬운 정의가 가능하고, 대책 전후의 결과를 빠르게 비교해 볼 수 있습니다. 아래의 <그림 4>은 대책 전 Multimedia 장비에 외부로부터 방사된 노이즈 성분이 유기되어 동작에 영향을 받았는데, Amplifier holder에 5pF의 커패시터 부착 후 방사 노이즈에 의한 영향이 줄어든 것을 확인했던 사례입니다.




그림 4. Multimedia 시스템의 방사 민감성(RS) 결과



사례들을 통해 볼 수 있듯이 시각화된 결과 도출과 대책을 빠르게 적용하여 전후의 결과를 확인할 수 있다는 점이 전자기 적합성(EMC)를 분석하는 엔지니어와 전자기를 전공하지 않은 분들에게 이를 전달할 때 많은 도움이 되는 것을 확인할 수 있었습니다. 그렇다면 이러한 전자기 적합성(EMC) 분석을 진행할 때 CST STUDIO SUITE을 이용해야 하는 이유는 무엇일까요? 이는 크게 네 가지 사항으로 나눠서 볼 수 있습니다.


– 7개의 Product, 18개의 Solver를 이용한 다양한 분야의 분석 가능


– CAD import 및 EDA import 기능


– 강력한 메쉬 기법을 이용한 복잡한 구조 해석 가능


– 가속기를 이용한 빠른 해석 가능


전자기 적합성(EMC) 문제는 다양한 구분과 규격을 갖고 있기 때문에 그에 맞춰 분석을 하기 위해서는 여러 Product와 Solver들을 사용해야 하는 경우가 있습니다. CST STUDIO SUITE은 하나의 패키지 안에서 전자기 적합성(EMC) 분석에 필요한 다양한 Product와 Solver 제공을 통해 최적화된 해석 환경을 갖추어 분석을 진행할 수 있습니다.



그림 5. EMC 분석을 위해 사용되는 CST STUDIO SUITE의 Products



전자기 적합성(EMC) 분석을 진행하기 위해서는 PCB, 기구, 케이블, 물성 등 다양한 데이터들을 불러와야 하는 경우가 발생합니다. 이러한 경우 CAD import와 EDA import 기능, 그리고 다양하게 지원되는 물성 정보들을 통해 사실적인 환경 구현을 통한 정확한 분석을 진행할 수 있습니다.



그림 6. CST STUDIO SUITE에서 지원하는 CAD, EDA, 물성 정보



다양한 모델 데이터들을 불러온 오게 되면 복잡도와 분석 영역의 크기에 따라 해석이 어려워질 수 있습니다. 특히 복잡한 PCB 구조와 기구 데이터들을 함께 두고 해석을 진행하는 경우에는 해석을 위한 메쉬를 나누는 과정에서 큰 어려움을 겪게 됩니다. CST MICROWAVE STUDIO에서 제공하는 메쉬 기법인 PBA(Perfect Boundary Approximation), TST(Thin Sheet Technique)은 하나의 메쉬 셀 안에 두 가지 혹은 세 가지(유전체 2, 도체 1) 물성이 들어오더라도 에러 없이 해석을 진행할 수 있습니다. 이러한 강력한 메쉬 기법들은 PCB, 기구, 케이블, 플랫폼 구조가 함께 있는 상태에서의 Full 3D EM Simulation을 가능하게 하며, 이러한 분석들은 직관적이고 실질적인 결과로 활용될 수 있습니다.




그림 7. 차량용 배터리의 Open/Short 조건에 따른 Radiated Field 분석



마지막으로 GPU(Graphic Processing Unit)을 이용한 해석의 가속이 가능합니다. CST STUDIO SUITE에서 해석의 가속으로 사용 가능한 GPU 모델을 가지고 해석을 진행하게 되면 기존의 해석보다 수십 배(최신 GPU의 경우) 빠른 해석을 경험하실 수 있습니다.


전자기 적합성(EMC) 분석에서 CST STUDIO SUITE은 위에서 설명했던 장점들을 이용하여 Transportation & Mobility, Aero & Defense, High Tech 등 다양한 분야, 그리고 다양한 회사들에서 분석에 사용되고 있는 전자기장 소프트웨어입니다. 그렇다면 CST STUDIO SUITE을 이용하여 어떠한 해석들을 진행할 수 있는지에 대해 살펴보도록 하겠습니다.


Electro Magnetic Interference(EMI) 분석



전자기 장해(EMI)는 앞서 소개 드렸던 것 같이 전자기기가 얼마만큼의 전도성, 혹은 방사성 노이즈를 방출하는지를 확인해 보는 분석입니다. 해당 분석 중 방사성 노이즈에 의한 전자기 장해(EMI) 측정은 보통 아래와 같은 시험 규격을 갖게 됩니다. 피실험 기기인 EUT(Equipment Under Test)가 Table위에 올려놓고 동작을 시킵니다. 그때 고정되어 있는 3m 혹은 10m 거리에 떨어진 Antenna를 통해 얼마만큼의 노이즈가 방사되는지를 측정하게 되고, Table을 회전시켜 EUT의 모든 방위에서의 방사성 노이즈를 측정합니다.



그림 8. 방사성 노이즈 측정 Test Set



방사성 노이즈 전자기 장해(EMI) 시뮬레이션의 경우 실제 측정 시험 환경을 모두 모사하여 해석을 진행해 볼 수 있습니다. 하지만 이러한 경우 무반사실과 시험에 필요한 기구들을 모두 모사하여 해석을 진행해야 하기 때문에 많은 하드웨어 리소스가 필요하고 오랜 해석 시간이 요구됩니다.



그림 9. Continental에서 진행한 측정 Test Set을 모사한 방사성 노이즈 측정



따라서 그림 10과같이 EUT만 해석상에 불러온 상태에서 3m 혹은 10m 밖에 모든 방위에 걸쳐 E-field 프로브를 설정한 다음, 각 프로브에서 얻어지는 E-field 값을 모두 얻어낼 수 있습니다. 또한 이렇게 얻어진 여러 E-field data들 중 각 주파수 별로 가장 높은 E-field 값으로만 추출하여 각 주파수 별 Worst case에 대한 EMI 스펙트럼 결과를 얻어낼 수 있습니다.




그림 10. EUT를 중심으로 3m 밖 Spherical 영역에 프로브 설정 후 주파수 별 Worst case 추출



이렇게 두 가지 방법을 통한 분석을 진행할 수 있기 때문에 사용자의 하드웨어 및 원하는 결과에 맞춰 선택적으로 Workflow를 가져갈 수 있습니다.



전도성 노이즈에 의한 전자기 장해(EMI)에 대해서도 CST STDUIO SUITE을 이용하여 분석을 진행해 보실 수 있습니다. 그림 11은 Motor control system에서의 3상 제어를 위한 H-bridge 회로의 Switching 소자의 On/Off 특성에 의해 발생하는 전도성 노이즈 성분들을 Artificial Network(AN)에서 측정된 전자기 장해(EMI) 결과를 확인할 수 있었던 예제입니다.




그림 11. Motor Control System에서의 전도성 노이즈 시뮬레이션 결과



Electro Magnetic Susceptibility(EMS) 분석



전자기 민감성(EMS)은 앞서 소개 드렸던 것 같이 외부로부터 들어오는 노이즈가 전자기기에 얼마나 영향을 받는지에 대한 분석입니다. 전자기 민감성(EMS)의 측정의 경우 EUT(Equipment Under Test)를 동작시켜 놓은 상황에서 외부에서 인위적으로 만들어준 노이즈 신호에 의해 오작동이 나타날 경우 Fail, 오작동 없이 그대로 동작할 경우 Pass로 시험 평가를 진행합니다. 이때 외부에서 만들어준 노이즈가 어떠한 성분 인지에 따라 아래의 분류로 나누어 볼 수 있습니다. 그림 12에서 볼 수 있듯이 외부에서의 방사성 노이즈가 EUT에 주는 영향을 주는 경우에 대한 분석은 Radiated Susceptibility(RS), 케이블과 같이 도체를 타고 들어오는 전도성 노이즈가 EUT에 주는 영향에 대한 분석을 Conducted Susceptibility(CS), 정전기 현상에 의해 발생하는 강한 전류가 EUT에 주는 영향에 대한 분석을 Electro Static Discharge(ESD)라 합니다. 이 밖에도 다양한 종류의 전자기 민감성에 대한 시험들이 있으며, 이러한 시험에서 Fail이 될 경우 엔지니어는 민감성 시험을 Pass하기 위한 EMC 대책을 강구하여야 합니다.



그림 12. 노이즈 성분에 따른 전자기 민감성(EMS) 실험



하지만 실제 전자기 민감성(EMS) 시험은 외부의 노이즈를 인가하고 Pass/Fail에 대해서 확인하기 때문에, 외부 노이즈들이 어느 부분에 주로 영향을 주고, 어떠한 경로를 통해 영향을 주는지에 대한 부분은 시험을 통해 확인하기는 어려움이 있습니다. 이러한 경우 전자기장 해석을 이용하여 실험 환경을 모사한 상태에서 분석을 진행하면 시각적인 결과들을 통해 노이즈 보다 직관적으로 확인할 수 있습니다. 그림 13은 PCB에 정전기 내성 시험을 시뮬레이션 통해 진행해 봤던 사례로, ESD Gun을 통해 인가된 정전기 노이즈 신호가 어느 경로를 통해 전달되는지 시간의 흐름에 따라 확인 가능합니다. 또한 어느 부분에 전류가 강하게 몰려서 주요한 영향을 주게 되는지에 대한 부분도 분석해 볼 수 있습니다.



그림 13. 정전기 분석(ESD)시 시간에 따른 전류 분포도 결과



이러한 전자기적 영향을 시각적으로 확인하게 되면 EMC 대책 수립을 더 수월하게 해보실 수 있습니다.


EMC 대책을 수립할 때 엔지니어는 다양한 방법들을 이용해 볼 수 있습니다. 그 중에서도 대표적인 방법은 대책 소자를 이용하는 방법입니다. 따라서 3D 구조와 다양한 소자들을 함께 두고 해석을 진행할 수 있어야 EMC 대책에 의한 변화를 결과로 확인할 수 있습니다. CST에서는 Circuit해석에 사용되는 CST DESIGN STUDIO를 제공하고 있으며, 해당 모듈을 사용할 경우 3D 구조에 다이오드, 트랜지스터와 같은 능동 소자들, EMC Filter 등을 함께 두고 해석을 진행할 수 있어 다양한 분석들을 진행해 보실 수 있습니다. 그림 14의 경우 3D PCB 모델에 강한 전류의 정전기 신호가 PCB로 인가했을 때의 해석인 ESD 분석을 진행했던 사례입니다. PCB 모델에 정전기 노이즈 신호가 인가될 시 PCB가 갖고 있는 다양한 Net들에서 전압을 측정했을 때 높은 값이 추출되는 결과를 확인하였습니다. 이를 방지하기 위해 Transient Voltage Suppression(TVS) 다이오드를 CST DESIGN STUDIO상에 Spice 파일로 불러와 Circuit을 구성하여 3D PCB 모델과 함께 해석을 진행하였습니다. TVS 다이오드는 과도 전압에 의한 디바이스의 고장을 막기 위해 자주 사용되는 능동 소자이기 때문에 각 Net에 높게 나타났던 전압을 낮추는 결과가 도출되는 것을 볼 수 있었습니다.



그림 14. Transient Voltage Suppression(TVS) 다이오드 유무에 따른 정전기 영향 분석



글을 마치며…



다쏘시스템의 전자기 해석 솔루션인 CST STUDIO SUITE은 현재 전자기 적합성(EMC) 해석을 3D로 분석할 수 있는 소프트웨어입니다. 이는 PCB만 두고 해석을 진행하는 것이 아니라 PCB, 기구체, Enclosure 구조, EMC Test 환경 등이 있는 상황에서도 강력한 Meshing 기법을 이용한 Full 3D EM Simulation이 가능하여 보다 실질적인 결과물을 얻어낼 수 있습니다. 또한 전자기 적합성(EMC)의 각 세부 시험들(RE, CE, RS, CE, ESD 등)에 대한 해석을 CST STUDIO SUITE에서 제공하는 다양한 Product들과 Solver들을 이용하여 보다 효과적인 해석을 진행할 수 있습니다. 이러한 뚜렷한 강점들을 가지고 있는 CST STUDIO SUITE을 이용한 전자기 적합성(EMC) 해석을 통해 시각화된 전자기 노이즈 결과를 통해 전기, 전자기기에서의 영향 및 경로를 파악하여 보다 효과적인 전자기 분석 및 EMC 대책 수립을 경험해 보시길 바랍니다.

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