스펙트럼의 기초

앞에서는 EMC의 기초로서 「EMC란?」이라는 제목으로, EMC 관련 용어의 의미에 대해 설명하였습니다. 이번에는 「스펙트럼의 기초」에 대해 설명하겠습니다.

기초 설명에 앞서, 먼저 「스펙트럼이란 무엇인가?」에 대해 간단히 설명하자면, 「브리태니커 국제 대백과사전 전자사전 대응 소항목판」에 따르면 「전자파를 그 성분의 정현파로 분해하여 파장의 순서에 따라 나열한 것」, 그리고 그 의미를 확장하여 「복잡한 조성을 지닌 것을 단순한 성분으로 분해하여, 그것을 특징 짓는 어떠한 양의 대소에 따라 성분을 나열한 것을 말한다 (일부 생략)」고 게재되어 있습니다. 비교적 표현이 단적인 정의를 인용하였지만, 곰곰이 생각해보면 납득이 가는 내용입니다.

여기에서 설명하는 스펙트럼은 전기 신호의 스펙트럼입니다. 구체적으로는 스펙트럼 애널라이저에 의한, 가로축을 주파수, 세로축을 전력 또는 전압으로 하는 데이터를 사용하여 설명하겠습니다.

스펙트럼의 기초

먼저 하기의 모식도로 설명하겠습니다. 본 기재 내용은 「스위칭 전원의 EMC」가 테마이므로, 전기 신호는 스위칭 신호를 전제로 합니다. 스위칭 신호를 이미지로 나타낸 펄스 파형에 tw (펄스 폭)와 ts (rise time / fall time)를 나타내고 있습니다.

중앙의 그래프는 푸리에 변환에 따른 이론상의 펄스 파형의 스펙트럼입니다. 주파수가 높아짐에 따라 진폭이 감쇠하고, 감쇠의 기울기가 tw 및 ts에 따라 변화하는, 흔히 볼 수 있는 스펙트럼입니다.

오른쪽 그래프는 펄스의 ts를 지연시켰을 때 스펙트럼의 변화를 나타낸 것입니다. 기울기가 -40dB/dec가 되는 1/πts의 주파수는 당연히 낮아지지만, 결과적으로 이후의 진폭이 감소하게 됩니다. 단적으로 말하자면, 「ts를 지연시키면, 스펙트럼의 진폭이 감쇠한다」고 할 수 있습니다.

이제부터는 실제 스펙트럼 애널라이저의 데이터를 사용하여, 주파수 등 다른 파라미터의 변화에 따른 스펙트럼의 변화를 확인하겠습니다. 여기에서 포인트는 「신호 파형의 변화에 따라 스펙트럼이 어떠한 경향으로 변화하는가」입니다. 이는 실제 스위칭 전원 회로의 스위칭에 관한 스펙트럼에서 EMC에 대한 대응을 해석하여 대책을 세우기 위해 필요한 지식입니다.

파형 변화와 스펙트럼의 변화

하기 왼쪽 그래프는 비교를 위한 default 조건의 데이터입니다. 파형 그래프에 기재된 바와 같이 조건은 진폭 10V, 주파수 400kHz, Duty (듀티 사이클) 50%, tr/tf (rise time / fall time) 10ns입니다.

가운데 그래프는 n차 고조파와 진폭 (V)을 나타냅니다. 1배의 주파수 ＝ 기본파, 즉 400kHz의 성분이 최대이며, 홀수배의 주파수에 스펙트럼이 나타나고 있습니다.

고조파가 홀수차에서만 나타나는 것은, Duty가 50% = 1 : 1일 때 스펙트럼의 특징입니다. 각 성분의 크기는 기본파 성분의 1/차수이며, 예를 들면 3차 성분은 1/3, n차의 고조파 성분은 1/n이 됩니다.

오른쪽 그래프는 진폭을 dBµV로 한 대수 그래프입니다. 즉 dBμV는 1µV의 전압을 기준으로 하는 전압비에 따른 데시벨 값입니다.

• ① 주파수를 2MHz로 변경한 스펙트럼입니다. 주파수 – 진폭 (dBµV) 그래프와 같이, 주파수가 높아지면 전체적으로 진폭이 증가하는 것을 알 수 있습니다.
  
  
• ② tr과 tf를 모두 100ns로 지연시킨 스펙트럼입니다. 이것은 모식도에서 설명한 바와 같이, -40dB/dec의 감쇠가 시작되는 주파수가 낮아지며, 스펙트럼의 진폭은 감쇠합니다.
  
• ③ Duty를 50%에서 20%로 변경했을 때의 스펙트럼입니다. Duty가 1 : 1이 아니므로, 짝수차 고조파가 발생하지만, 기본적으로 피크에는 변동이 없습니다. 펄스 폭 tw가 좁아짐에 따라, 기본파의 스펙트럼 진폭은 감쇠합니다.
  
  
• ④ tr (rise time)만을 지연시킨 경우입니다. tr이 지연됨에 따라, 낮은 주파수에서 tr에 관한 성분이 감쇠합니다.
  
  

정리하자면, 주파수가 낮고, rise time / fall time이 지연되면 스펙트럼은 감쇠하게 됩니다. EMC의 관점에서는 단순히 스펙트럼의 진폭이 낮은 쪽이 유리합니다.

참고로, 본 페이지에서는 영어 Spectrum의 한국어 표기로서 「스펙트럼」을 사용하였습니다. 어학 사전이나 이화학계 사전에는 동일 의미로 「스펙트르 (spectre)」라고 표기하는 경우도 있으니 참조하여 주십시오.

전기 통신계의 계측에서는 「스펙트럼」이 사용되는 경우가 있는데, 광학 및 물리 관련에서는 기본적으로 「스펙트르」를 사용하기도 한다고 합니다. 전기 통신계의 주파수 해석 장치로서 「스펙트럼 애널라이저」가 흔히 사용되므로, 이 명칭의 영향을 받았을지도 모르겠습니다.

한편, 분광 분야의 해석 장치에도 「Spectrum 애널라이저」가 있지만, 이를 「스펙트르 애널라이저」라고 부르지는 않는다고 합니다. 계측기 메이커 등에서 사용하는 호칭은 「광 스펙트럼 애널라이저」가 일반적이라고 합니다.

JIS를 조사해본 결과, 예를 들어 JIS C 6122에는 「전기 스펙트럼 애널라이저」와 「광 스펙트럼 애널라이저」가 장치명으로 기재되어 있습니다. 단, Spectrum 자체의 경우 조사 범위 안에서는 「스펙트르」라고 표기되어 있었습니다.

다음에는 「차동 모드와 공통 모드 노이즈」에 대해 설명하겠습니다.