차동 (노멀) 모드 노이즈와 공통 모드 노이즈

「EMC란?」에서 전자 방해 EMI는 크게 「전도 노이즈」와 「방사 노이즈」로 분류된다고 설명했습니다. 그 중, 전도 노이즈는 전도 방법에 따라 「차동 (노멀) 모드 노이즈」와 「공통 모드 노이즈」로 분류할 수 있습니다.

차동 (노멀) 모드 노이즈와 공통 모드 노이즈

먼저, 「차동 모드 노이즈 (Differential mode noise)」는 「노멀 모드 노이즈」라고도 합니다. 조건에 따라 구별하여 사용하기도 하지만, 여기에서는 동일한 것으로 취급하겠습니다. 두번째로 「공통 모드 노이즈」는 하기 그림을 사용하여 설명하겠습니다. 여기에서는 전원 베이스의 내용을 다루고 있으므로, 그림은 회로가 있는 프린트 기판 (PCB)이 케이스에 탑재되어 있으며, 외부로부터 급전되는 경우를 예로 들었습니다.

차동 모드 노이즈는 노이즈원이 전원 라인에 대해 직렬로 들어와, 전원전류와 동일한 방향으로 노이즈 전류가 흐르므로, 전원 라인 사이에서 발생합니다. 입력과 출력의 방향이 반대이므로, 차동 모드 (Differential mode)라고 합니다.

공통 모드 노이즈는 기생 캐패시터 등을 통해 누설된 노이즈 전류가 그라운드를 경유하여 전원 라인으로 돌아오는 노이즈입니다. 전원의 플러스 (+)측과 마이너스 (-)측에서 흐르는 노이즈 전류의 방향이 동일하므로 공통 모드 (Common mode)라고 합니다. 전원 라인 사이에서는 노이즈 전압이 발생하지 않습니다.

앞서 기술한 바와 같이, 이러한 노이즈는 전도 노이즈입니다. 그러나, 전원 라인에 노이즈 전류가 흐르고 있는 것이므로, 노이즈는 방사됩니다.

차동 모드 노이즈에 의한 방사의 전계 강도 Ed는 하기의 왼쪽 식으로 나타낼 수 있습니다. Id는 차동 모드에서의 노이즈 전류, r은 관측점까지의 거리, f는 노이즈 주파수입니다. 차동 모드 노이즈는, 노이즈 전류 루프를 생성하게 되므로 루프 면적 S가 중요한 요소입니다. 따라서, 다른 요소가 일정할 경우, 루프 면적이 커지면 전계 강도는 높아집니다.

공통 모드 노이즈에 의한 방사의 전계 강도 Ec는 하기 오른쪽 식으로 나타낼 수 있으며, 케이블 길이 L이 중요한 요소입니다.

여기에서 각각의 노이즈에 의한 방사의 특징을 확인하기 위해, 실제 수치를 대입하여 전계 강도를 계산^*1해 보고자 합니다. 조건은 동일하며, 전계 강도의 관측점은 청색 원으로 표시하였습니다. *1 : 식의 출처 – Detailed Explanation – Electromagnetic Compatibility Engineering, Author : Henry W. Ott, Publisher : John Wiley & Sons

이 계산 결과에서 중요한 것은 동일한 노이즈 전류치에서도 공통 모드 노이즈에 의한 방사가 훨씬 크다 (이 예에서는 약 100배)는 점입니다. 어쨌든 이러한 전도 노이즈 및 방사 노이즈, 즉 EMI가 허용 범위를 넘을 것 같다면, 노이즈 대책을 세울 필요가 있습니다. 특히, 방사 노이즈 대책을 세울 경우, 공통 모드 노이즈에 대한 대책이 중요하다는 점을 기억해야 합니다.

대책에 대해서는 앞으로 순서에 따라 설명할 예정이지만, 가장 원칙적인 노이즈 대책으로는 차동 모드 노이즈의 경우 케이블을 연선 (twisted-wire) 등으로 하여 루프 면적 S를 줄이는 방법입니다. 공통 모드 노이즈의 경우에는 케이블을 가능한 짧게 하는 방법이 있지만, 배선 및 부재의 제한이 있으므로 필터를 추가하는 방법 등을 검토할 필요가 있습니다.

본 페이지에서는 우선 노이즈의 종류와 성질에 대해 숙지하여 주십시오.