제어기 설계에 있어 프레임 그라운드를 설명하고, 전자기파 차폐를 위해 어떻게 사용해야 하는지를 설명하시오
EMC Webzine, 2016, Dec, Vol 37, 36page
제어기 설계에서 프레임 그라운드(frame ground)는 시스템의 물리적 구조나 샤시(chassis)를 지구의 전기적 “접지(ground)”에 연결하는 것을 말합니다. 이러한 접지 방법은 전자 장비에서 발생할 수 있는 전자기 간섭(EMI, Electromagnetic Interference) 및 기타 전기적 잡음을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 프레임 그라운드는 안전하고 안정적인 시스템 운영을 보장하기 위해 필수적인 요소 중 하나입니다.
프레임 그라운드의 목적
- 안전성 향상: 전기적 고장이 발생했을 때, 프레임 그라운드는 과도한 전류를 지구로 안전하게 배출하여 사용자와 장비를 보호합니다.
- 전자기파 차폐: 프레임 그라운드는 외부 전자기파로부터 장비를 보호하고, 장비에서 발생하는 전자기파가 외부로 유출되는 것을 방지합니다.
전자기파 차폐를 위한 프레임 그라운드 사용 방법
- 접지 점의 최적화: 프레임 그라운드는 적절한 위치에 접지 점을 설정하여 전체 시스템의 접지 경로를 최적화해야 합니다. 이는 접지 루프(loop)를 최소화하고, 잡음 전류의 영향을 줄이기 위함입니다.
- 접지 경로 단순화: 접지 경로는 가능한 직선이 되도록 설계해야 하며, 경로의 길이를 최소화하여 임피던스를 줄여야 합니다. 이를 통해 고주파 잡음의 접지 경로에 대한 영향을 감소시킬 수 있습니다.
- 케이블 및 커넥터의 적절한 선택: 전자기파 차폐를 위해, 쉴드(shield)가 있는 케이블을 사용하고, 이 케이블의 쉴드를 프레임 그라운드에 연결해야 합니다. 케이블의 쉴드는 외부 잡음을 차단하는 데 도움이 됩니다.
- 메탈 샤시의 활용: 제어기 및 전자 장비의 샤시를 메탈 재질로 선택하고, 이를 프레임 그라운드에 접지시키면 외부 전자기파의 침입을 막고, 장비 내부에서 발생하는 전자기파의 유출을 차단하는 효과적인 차폐가 됩니다.
- 다중 접지 포인트 방지: 제어 시스템 내에서 다중 접지 포인트(ground loop)를 만들지 않도록 주의해야 합니다. 이는 전자기 잡음을 유발할 수 있으며, 시스템 내에서 불필요한 전류 흐름을 생성할 수 있습니다.
제어기 설계에서 프레임 그라운드와 전자기파 차폐를 올바르게 적용하는 것은 시스템의 신뢰성과 성능을 보장하는 데 매우 중요합니다. 접지 설계에 대한 깊은 이해와 주의 깊은 계획이 필요하며, 이를 통해 전자 장비의 안전성과 정확성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
“`html프레임 그라운드
1. FG · SG
필기에서는 제어기 설계 시 샤시 보호와 Noise 전류 처리에 Frame Ground를 사용한다.
2. Frame Ground의 목적
필기에서는 Frame Ground의 역할을 다음과 같이 기록한다.
- 제어기 고장 시 샤시 보호
- 외부 Noise에 대한 보호
- 전자기기 보호
External EMI / ESD
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▼
Metal Frame
│
▼
Frame Ground
│
▼
Ground
3. 대규모 설비에서 FG 사용
대규모 설비에서는 대지접지와 FG를 이용하여 장비의 보호구조를 구성한다고 기록한다.
- 기기 보호
- 전자기기 외함 접지
- 외부 Noise 전류 우회
4. EMI 유입 경로
외부에서 유입된 EMI 또는 ESD 전류가 신호 Ground를 통해 회로 안으로 유입되면 오동작이나 Noise 문제가 발생할 수 있다.
External EMI
│
▼
┌───────────────┐
│ Metal Frame │
│ ┌───────┐ │
│ │ PCB │ │
│ └───────┘ │
└──────┬────────┘
│
▼
Ground
5. ESD 대책 — Frame을 Ground에 연결
참고 이미지에서는 ESD 대책의 첫 번째 방법으로 Frame을 Ground에 직접 연결하여 Discharge Current를 Ground로 흘리는 방법을 설명한다.
ESD
│
▼
[ Frame ]
│
▼
Ground
6. Ground Lead의 Inductance
참고 이미지에서는 Frame과 Ground 사이의 배선도 고주파에서는 Inductance를 가진다고 설명한다.
따라서 Ground 경로가 길거나 복잡하면 고주파 ESD/EMI 전류가 원하는 경로로 빠지기 어려울 수 있다.
7. Common Mode Choke
Frame과 PCB Ground가 연결된 구조에서는 ESD에 의한 Common Mode Current가 외부 회로로 흐를 수 있다.
이를 줄이기 위해 Common Mode Choke를 사용할 수 있다고 기록되어 있다.
PCB ──────[ CM Choke ]────── External Circuit
│
▼
Common Mode 억제
8. Differential Mode ESD 대책
필기와 참고 이미지에서는 Differential Mode ESD Current를 줄이기 위해 Line-to-Line Capacitor를 사용하는 방법을 기록한다.
Line 1 ─────┬────────
│
─── C
───
│
Line 2 ─────┴────────
9. Common Mode ESD 대책
Common Mode ESD Current 대책으로는 Line-to-Ground Capacitor를 사용한다고 기록한다.
Signal Line ────────┬─────
│
─── C
───
│
Ground
10. DM · CM 대책 비교
| 구분 | 필기 대책 |
|---|---|
| Differential Mode | Line-to-Line Capacitor |
| Common Mode | Line-to-Ground Capacitor |
11. Clamping Device
참고 이미지에서는 ESD나 과도전압을 제한하기 위해 다음 Clamping Device를 사용할 수 있다고 설명한다.
- Zener Diode
- Varistor
- Transient Suppressor
12. Cable Connector와 Frame
참고 이미지에서는 Cable Connector를 PCB의 한 지점에 단순 연결하는 경우 불필요한 Current Path가 발생할 수 있음을 보여준다.
Connector와 Frame 사이의 Current 흐름을 고려해야 한다.
Cable
│
▼
Connector
│
├────► PCB
│
└────► Frame
│
▼
Ground
13. 여러 Board의 Ground 문제
참고 이미지의 결론에서는 여러 Board가 Cable로 연결된 제품에서 Ground 전위차가 Noise의 주요 원인이 될 수 있다고 기록한다.
Board A
│
Cable
│
Board B
│
Cable
│
Board C
Ground Potential Difference
↓
Noise
14. 접지점 최소화
두 번째 필기에서는 적절한 위치에 접지점을 선정하여 Ground Loop가 생기지 않도록 하는 방향을 기록한다.
15. 접지 경로 최소화
EMI와 Ground 사이의 거리가 길어지면 접지경로의 영향이 커질 수 있으므로 Ground 경로를 짧게 구성한다.
16. 금속성 샤시 사용
필기에서는 금속성 샤시를 사용하여 전자기파 차폐 성능을 확보하는 방법을 기록한다.
External EMI
↓↓↓
┌─────────────────┐
│ Metal Chassis │
│ │
│ Controller │
│ │
└────────┬────────┘
│
▼
Frame Ground
17. Frame Ground 설계 흐름
External EMI / ESD
│
▼
Metal Chassis
│
▼
Frame Ground
│
▼
Ground
Signal Circuit
│
├── DM → Line-to-Line C
│
├── CM → Line-to-Ground C
│
├── CM Choke
│
└── Clamping Device
18. 이미지 OCR 핵심 정리
| 항목 | 이미지 내용 |
|---|---|
| FG | Frame Ground / 샤시 접지 |
| SG | Signal Ground |
| FG 목적 | 기기 보호, EMI/ESD 전류 우회 |
| ESD 경로 | Frame → Ground |
| DM 대책 | Line-to-Line Capacitor |
| CM 대책 | Line-to-Ground Capacitor, CM Choke |
| 과도전압 | Zener, Varistor, Transient Suppressor |
| 접지 설계 | Ground Loop 억제, 짧은 접지경로 |
| 차폐 | Metal Chassis + Frame Ground |