Supported Instrument(호환 스펙트럼아날라이저)

Keysight 제품

Rohde & Schwarz 제품

* EMScanner를 포함하여 시중의 모든 스캐너 타입의 제품들은 별도의 스펙트럼 아날라이저가 필요하며 고객이

   이미 보유하고 있는 경우라면 함께 사용이 가능합니다. 스펙트럼 아날라이저와 관련해서는 효과적으로 비용을

   줄일 수 있는 방법들이 존재하며 당사로 문의해 주시기 바랍니다.

Technical Note #1

Near field 프로브 방식은 시간 영역 또는 주파수 영역에서 전자장 또는 전기장을 관측하는데 있어서 아주 아주 유용한 방법입니다.

 

전기장에 흥미가 있는 경우라면 전기장 라인을 잡아내기 위해 기억해두어야 할 팁 한가지는 전기장 라인은 회로에서 dv/dt 와 관련이 있다는 것입니다.

 

반면에 자기장에 흥미가 있다면 회로에서 내 관심 영역 주변에 작은 루프가 만들어져서 자기장 라인들을 얻게 됩니다. 프로브를 통해 얻어진 결과는 소자. 패턴 또는 와이어에서의 di/dt 와 관계가 있게 됩니다. Near filed 프로브를 이용한 가장 보편적인 방식은 관심 영역 위에 프로브를 위치 시킨 후에 특정 주파수에서의 높은 활동을 찾아내는 것 입니다. 이 방식은 또한 타겟 회로로 인입되는 EMI 확인에도 사용이 됩니다. 높은 민감도(sensitivity)나 핀 단위까지의 정밀한 분석에도 크고 작은 다양한 형태의 루프와 방법들이 존재 합니다.

 

예로서, 아래 Fig. 1 과 같이 사용자는 프로브를 사용하여 PCB 보드, 케이블 및 케이스까지 조립된 상태에서도 측정이 가능합니다.

이런 방법을 통해 중요한 회로 배치, 방사 케이블 또는 위험 천만한 슬롯 등을 확인할 수 있으며 아주 효과적이면서도 사용하기에도 편한 좋은 해결책으로 평가가 됩니다. 지난 몇 년 동안 YIC Technologies 사로부터 이러한 타입의 스캐너를 사용할 수 있는 기회를 제공받아 아주 잘 사용해 왔습니다. EMScanner 와 EMProbe(Fig. 2)가 바로 그것 들이며 near field 프로브 역할을 하는 스캐너로서 상당히 전문적이고 반복 작업에 유리할 뿐 아니라 가장 빠른 속도를 제공하기도 합니다

Fig. 2. Y.I.C. Technologies 사의 EMProbe (좌) 및 EMScanner (우)

EMProbe 를 이용하여 EMC/EMI 문제를 진단할 경우에 일반적인 규격의 프로브를 사용하면 됩니다. 사용이 편리한 로봇 팔이 모든 방향의 프로브 동작을 제어고 외부 스펙트럼 아날라이저를 통해 그 결과를 확인 합니다.

 

EMScanner 는 평면의 구조로 몇 밀리 단위로 배치된 천 여개의 프로브 안테나로 구성 되어 밀리미터 대역 까지 효과적인 측정결과를 제공합니다. 측정 주파수 범위는 모델에 따라 150KHz 부터 8GHz 까지 입니다.

 

이 루프 안테나의 민감도(sensitivity)도는 -135dBm 까지이며 고속의 전자식 스위칭 시스템을 통해 엄청난 속도로 DUT 의 마그네틱 near field 에미션을 실시간(real-time) 으로 분석할 수 있습니다( 초 단위 속도).

 

두가지 스캐너 모두 EMViewer 소프트웨어를 통해 로봇 팔과 외부 스펙트럼 아날라이저를 제어하며 결과를 수집하고 분석할 수 있습니다.

 

Fig. 3 의 사진은 스캐너와 DUT 의 모습이며 측정 영역은 21.8cm x 31.6cm 입니다.

이 자기장 측정 방식은 측정 대상에 흐르는 전류와 연관이 있으며 해당 주파수 뿐 아니라 실시간으로 측정되는 필드 이미지를 수 초 내에 실시간으로 확인할 수 있습니다.

 

필자는 문제해결이나 교습을 위한 목적으로 필요한 반복 작업을 이렇게 즉각적으로 분석하고 비교하여 빠르게 하드웨어의 디자인을 최적화할 수 있는 방식을 좋아합니다. 그 결과는 아주 인상적입니다.

 

아래 Fig.4 와 같이 Decoupling 회로가 포함된 전형적인 24MHz 디지털 IC 클록 회로를 예로 들어 보겠습니다

전원(+5V)은 USB 를 통해 공급되고 SMD 형식의 퓨즈와 시각적으로 반응을 확인할 수 있는 작은 LED 와 회로기판 상에서 디커플링 효과를 주기 위한 디커플링 캐패시터가 포함되어 있습니다. 클록 매칭은 50 ohm 저항을 사용합니다.

 

IC 가 동작하려면 전원으로부터 과도전류(iS)가 필요하게 되며 고조파 (harmonics) 전류의 고주파 성분은 여러가지 형태의 전도 및 방사성 EMI 문제의 근원이 됩니다.

 

문제를 최소화하기 위해서는 디커플링 네트워크(통상 SMD 캐패시터와 페라이트)를 사용하여 전원단을 통과하는 이런 고주파 성분을 회피하게 됩니다. 디커플링 회로가 예측대로 동작한다면 전류ipsu 는DC 수준으로 떨어지게되며 디커플링 캐패시터(ic)로 과도 전류의 경로가 형성됩니다. 2 개의 점퍼를 사용하여 디커플링 네트워크를 연결하거나 차단할 수 있다면 이 네트워크의 효과를 즉시 평가할 수 있게 됩니다.

 

Fig.5 에서 PCB 보드의 상단 면을 볼 수가 있습니다. Vcc 선로가 TOP 레이어 상에 위치하고 있음을 확인 바랍니다. Ground 레이어(ground plane 이 아님)는 BOTTOM 레이어 상에 있습니다.

주파수 스캔(Spectral scan)을 통해 회로기판에서 발생하는 신호들을 확인할 수 있습니다. 어떤 신호들은 발진기나 클록(harmonic)에서 나오는 경우도 있고 어떤 경우에는 기생 성분 형태의 발진이나 또는 대책이 좀더 어려운 링잉(ringing) 같은 노이즈에서 발생할 때도 있습니다. 이 주파수 스캔을 통하면 회로기판에서 발생하는 모든 종류의 신호를 확인할 수 있게 됩니다.

 

Fig.6 에서 한가지 주파수 스캔 측정 결과를 볼 수 있는데 여기에서 24MHz 클록의 과도 전류가 만드는 고조파와 FM 방송 신호 대역(88-108MHz)에서 발생하는 EMI 를 확인할 수 있습니다.

주파수 스캔(Spectral scan)과 필드스캔(Spatial scan) 방법을 이용하여 해당 신호의 전류 흐름의 경로를 확인할 수 있으며 이는 SI 문제나 EMI/EMC 문제를 최소화 하기 위한 아주 중요한 정보입니다.

 

Fig.7 에서 보면 디커플링 캐패시터와 페라이트를 적욯하지 않은 상태에서는 전류의 루프 크기가 상당히 크다는 것을 알 수 있습니다.

커다란 크기의 전류 루프는 클록 신호의 왜곡을 발생시키고 고주파 체배신호의 노이즈 방사와 인접 보드 또는 케이블 간에 크로스톡(crosstalk) 아울러 전원공급단이나 전원케이블 등에서의 인젝션 노이즈를 발생시키게 됩니다.

 

디커플링 캐패시터를 적용한 회로 네트워크 상에서는 과도 전류가 디캡의 경로로 진행되어 루프의 크기가 줄어든 상태가 되었으며 EMI 전류가 클록 IC 부근으로 제한되었습니다. (Fig. 8 참조).

 

붉은 색으로 표시된 부분은 여전히 색깔이 붉은 상태이지만 이전 결과와 비교 시 그 값은 실제로 16dB 정도 낮아진 상태입니다.

이 경우 전형적인 질문으로는:

 

“디커플링 캐패시터가 사용 되었나요 ?”.

 

이에 대한 답변은 언제나 :

 

“물론이지요. 100nF 캐패시터가 사용되었습니다!”.

 

가끔은 보드 시스템 상에 캐패시터(디커플링 회로)를 사용하고는 있지만 터미널 임피던스가 선택된 회로 구성과 매칭되지 않아 전혀 효과가 없는 경우가 발생합니다. 캐패시터의 기술/효과가 정확하지 않거나 또는 레이아웃과 패키지의 기생 효과가 주요 성분으로 작용하는 경우가 있습니다. 근접장(near-field) 측정 방식을 통해 내가 적용한 디커플링 시스템이 정말로 효과적인 동작을 하고 있는지 확인할 수 있습니다.

 

어떠한 툴을 사용하든 신호를 제대로 볼 수 있다면 아주 강력한 도구가 됩니다. 유용한 정보:

 

https://yictechnologies.com/

EMScanner 스캐너 실험에 대해...

앞으로의 실험에 사용할 키트에는 10가지 실험을 위한 각각의 보드가 포함되어 있으며 기본적으로 EMI/EMC 문제와 신호 품질(SIGNAL INTEGRITY) 잇슈를 이해하고 해결하는데 있어서 EMScanner가 어떻게 도움이 될지를 보여주게 됩니다.

이 보드들은 일부 내용을 즉각적으로 변경하여 EMScanner에서 그 변화를 지켜 볼 수 있도록 설계 되었습니다.

각각의 실험을 위한 모든 예제 보드들은 30cm x 20cm 크기의 큰 PCB 안에 들어 있으며 이 보드의 크기는 대략적으로 EMScanner의 스캔 범위(31.6 cm x 21.8 cm)와 유사합니다.

Fig. 1. Mainboard for EMScanner experiment

좌측 상단의 노란색 코너 마크는 아래와 같이 실험용 보드를 스캐너 위헤 정확히 위치시키기 위한 오리진 포인트 입니다.

Fig. 2. How to align the board on top of the scanner

본 실험용 보드들은 BRD#01 부터 BRD#10까지 확실하게 라벨로 명시가 되어 있습니다. 각각의 보드 용도는 다음과 같으며 순차적으로 한가지 씩 다루게 될 것 입니다.

BRD #01: 디커플링과 노이즈 소스

첫번 째 실험 보드는 2가지 목적으로 사용이 될 것 입니다. 1) 디커플링 네트워크(페라이트/캐패시터)의 효과를 EMScanner에서 평가하고 2) 또 다른 용도는 다른 보드 들에 사용될 클록 시그널 발생기 역할을 하게 됩니다. 그러므로 별도의 신호발생기가 필요하지는 않습니다. 또한 점퍼들을 이용하여 전원공급에 따라 발생되는 GND 경로 상의 크거나 작은 형태의 전류 루프 분석이 진행될 예정입니다.

BRD #2: 리턴 패스(RETURN PATH)

클록 신호의 서로 다른 3개 회귀 경로에 대해 살펴 봅니다(점퍼를 사용하여 경로를 변경함). 전류는 항상 낮은 임피던스의 경로를 통해 흐르는 경향이 있다는 것을 기억해야 합니다. 그렇기 때문에 EMI와 신호품질(Signal Integrity)을 관리하고자 할 때 "중요한 키"는 바로 리턴패스라는 것 입니다.

BRD #3: ACTIVE 선로를 찾아라!

고주파의 활동을 보이는 "숨어있는" 디지털 신호를 찾아라! 전류의 진행 경로와 회귀 경로(return path)를 살펴 보아야 합니다.

BRD #4: 페라이트의 효과

이 실험에서는 시그널 라인에 사용된 페라이트의 효과를 알 수 있습니다. 페라이트는 점퍼를 통해 동작을 on/off 시킬 수 있습니다.

BDR #5: 그라운드 내의 SLOT

GND 리턴패스의 슬롯 상에서 고주파 신호(i.e. 클록시그널)의 영향을 알아 봅니다. 이것은 개발 중인 시스템 내에서 발생될 수 있는 가장 위험한 상황 중에 한가지로서 특히 회로에 케이블이 연결된 경우가 그럴 수 있습니다.

BRD #6: 선로 상의 크로스톡(CROSSTALK)

시그널 라인은 작은 딥스위치를 통하도록 배선이 될 수 있습니다. 일부 고주파 에너지는 이론적으로 이런 비 활동성 선로 상에서 나타날 수 있는데 이는 용량성(capacitive) 및 유도성(inductive) 크로스톡 커플링(crosstalk coupling)이 선로나 부품에서 발생될 수 있기 때문입니다.

BRD #7: 쉴딩 효과와 유출(LEAKAGE)

문제를 야기하는 신호(고주파 클록)는 PCB 레벨에서 차단이 될 수 있지만 설계 과정에서 문제가 있는 외부 커버가 적용될 수 있습니다. 이로 인한 에너지 유출을 EMScanner를 통해 관측할 수 있으며 "문제의 해결"을 위해 점퍼등이 사용될 수 있습니다.

BRD #8: 보드 엣지를 타고 흐르는 선로

별개의 그라운드 면을 갖는 보드의 경계면에서 고주파 신호의 효과를 살펴 봅니다. 통상 이런 신호라인들은 방사와 내성(immunity) 양쪽 모두의 문제를 야기 합니다. 단지 몇 개의 점퍼를 사용하여 훌륭한 레이아웃을 구성할 수 있습니다.

BRD #9: 필터의 배치

고주파 신호로 인한 문제를 선택적인 점퍼의 사용으로 레이아웃과 배치 전략를 달리하여 필터의 효과를 확인할 수 있습니다.

BRD #10: NFC 안테나

EMScanner는 근접장 통신 시스템의 테스트에 아주 훌륭한 도구로 사용될 수 있습니다. HF 루프가 적용된 작은 보드를 사용하여 13.56MHz에서의 NFC(Near Field Commnication) 시스템 튜닝을 이해하게 됩니다.

테스트 보드 셋업

여러 가지로 측정해 보려면 다음의 절차 대로 준비가 필요합니다:

 

1) 설치 및 준비

EMScanner 스캐너 보드, 스펙트럼 아날라이저 그리고 EMViewer 소프트웨어가 설치된 PC 모두 잘 연결되어

있는지 확인 합니다.

2) EMScanner는 수동 소자로 이루어져 특별히 캘리브레이션(검교정)이 불필요하지만 스펙트럼 아날라이저는

사용하기 전에 검교정이 필요합니다.

3) 실험용 보드가 스캐너에 정확하게 배치되어 있는 지 확인합니다.

Fig. 3. 스캐너 위에 놓인 실험용 보드

기준이 되는 코너가 셀 A1의 그리드와 라인이 서로 맞도록 배치 합니다:

4) 오버레이 열기

EMScanner에서 측정 시 충첩시켜 정확한 노이즈 위치 확인에 사용될 거버 파일 "EMSCAN EMxpert

V.1.0.GTL"을 열어 확인 합니다.

이 Gerber 파일은 보드 상의 부품 들의 이름과 그 위치를 알수 있도록 하며 에미션 노이즈의 위치 확인에

도움을 줍니다.

Fig. 4. 거버 파일의 중첩 배치

이제 실험용 보드를 측정할 중비가 되었네요.  다음 편 부터는 실제 보드 10가지 중 첫번 째 BRD#1번 보드의 회로 설명을 진행할 예정입니다~

예제 #01: IC의 디커플링

설명

본 실험은 2가지 목적이 있습니가:

  1) 캐피시터와 페라이트를 사용하여 디지탈클록 회로를 위한 디커플링 효과의 평가

  2) 그외 다른 실험에 사용될 클록 신호 생성 역할.

해당 회로의 일반적인 내용은 다음과 같습니다.

구형파의 클록신호는 부하로 동작하는 RLOAD로 인가됩니다.

 

이 클록 IC를 위한 전력은 USB 커넥터로 부터 +5V가 공급됩니다. IC가 동작하려면 과도전류(iS)가 필요한데 대개 이러한 과도 전류의 고주파요소가 많은 EMI 문제들의 원인으로 작용합니다. 

 

디커플링 캐패시터와 페라이트 비드가 JP1.2와 JP1.3를 통해 효력이 발생되지 않고 점퍼 JP1.4와 JP1.5를 통하는 큰 형태의 회귀경로가 선택 될 경우 가장 좋지 않은 상태가 만들어지게 됩니다. 

이 회로의 스키메틱은 Fig.3에 나타나 있습니다. 

Fig. 4. Gerber 파일 형식의 overlays 사용.

클록 IC (IC1.1)는 고주파 콘텐츠를 갖는 디지탈클록을 만듭니다. 

이 오리지널 보드는 24MHz 클록 (rise time: 5ns)을 생성하지만 IC를 교체하면 다른 주파수도 가능합니다. 테스트 포인트 TP.1.3에서 클록신호가 감지 될 수 있습니다( 그라운드 테스트포인트는 TP1.4이지만 커넥터(피그테일) 사용에 주의가 필요 합니다) 

 

전원은 K1.1 USB 커넥터를 통해 전달되며 퓨즈 FS1.1과 직렬 다이오드 D1.1으로 보호 됩니다. 붉은색 LED(LG1.1)을 통해 전력이 공급되고 있음을 알 수 있습니다.

클록신호의 결과는 BNC 커넥터 K1.2에서 측정됩니다. K1.2에 부하가 걸리지 않으면 저항 R1.4를 부하로 사용할 수 있으며 점퍼 JP1.4와 함께 사용됩니다. .

  Jumper JP.1.1: 보드 상의 부하저항 R1.4 선택.

  Jumper JP.1.2: Ferrite FB1.1의 동작 또는 미동작 선택.

  Jumper JP.1.3: decoupling capacitor C1.3의 동작 도는 미동작 선택.

  Jumpers JP1.4 및 JP1.5: 필요한 전류 회귀선의 선택

해당 PCB 보드는 다음 참조.

오버레이와 프로브 구성

 

각각의 부품 위치를 참조하기 위해 보드의 거버 오버레이를 올리게 되면 열면 spectral scan (주파수 스캔) 테스트에 사용되는 spectral  프로브들을 설정하여야 하며 spacial scan (필드 스캔) 테스트에는 Spatial 스캔 프로브가 사용됩니다.

기본 동작1:

1º) 부하는 K1.2 커넥터( 50 오옴 매칭)에 연결하거나 내부 부하저항으로 R1.4와 점퍼 JP1.2를 선택합니다.

2º) 미니 USB 커넥터로 보드에 전원을 인가합니다.  LED LD1.1에 불이 들어 옵니다.

3º) 스코프를 이용 TP.1.3과 TP.1.4 위치에서 클록의 출력을 체크하여 회로가 제대로 동작하고 있는지 확인

      합니다. 24MHz와 50% 듀티 사이클을 갖는 정현파 클록을 조사합니다.

4º) 디커플링 네트워크가 작동하지 않도록 점퍼 JP.1.2 와 JP1.3을 세팅합니다: JP1.2=ON 그리고 JP1.3=OFF.  

      점퍼 JP.1.4 와 JP.1.5를 이용해 전류 회귀 루프를 큰 크기가 되도록 선택해 줍니다. 이렇게 되면 최악의 상태로

      준비가 됩니다. 이렇게 좋지 않은 상태의 보드가 BRD01A입니다.

5º) 스캐닝 하기 전에 전원 선로 상의 전류 회귀 경로가 만들어 진다는 것을 생각합니다.

6º) 고주파 회귀 전류로 인한 보드의 활동이 어떻게 변화고 있는지 스캔합니다. 

      스캐너의 반응이 예상하던 대로 인가요? 이러한 결과가 EMI 프로파일 설계에 어떤 도움을 주게 될까요?  

      스코프로 클록 신호를 점검하시기 바랍니다.

7º) 디커플링 캐패시터가 점퍼 JP1.3=ON으로 선택하여 활성화되면 그 결과는 어떻게 개선이 될까요?

8º) 점퍼 JP1.2=OFF로 선택하면 페라이트 비드가 비 활성화되는데 그 변화를 확인 합니다.

9º) JP.1.4 와 JP.1.5를 통해 작은 크기의 루프가 되도록 합니다.

      디캡과 페라이트가 활성화되고 작은 루프 (좋은 상태)의 구성이 보드 BRD01B 입니다.

예시

Ambient 노이즈

보드에 전력이 인가되지 않은 상태에서의 spectral (주파수) 스캔의 결과 입니다.

본 실험이 측정된 지역은 FM 트랜스미터와 근접한 곳이라 FM 밴드 (88-108MHz)에서 측정되고 있는 활동에 주목합니다.  통상 주변에서 기본적으로 발생되는 노이즈는 EMScanner에서는 거의 나타나지 않지만 필요하다면 사용자의 측정 결과에서 이러한 노이즈 값을 고려할 수 있습니다.

Spectral 스캔 (최악의 조건)

본 측정을 통해서 보드에서 발생하는 에미션 노이즈를 확인할 수 있습니다. 해당 보드는 BRD01A 처럼 구성이 되며 디커플링 네트워크가 작동되지 않고 회귀전류 루프는 커지기 때문에 좋지 않은 EMI 상황에 놓이게 됩니다. 

본 스캐닝은 10MHz 에서  200MHz 주파수 구간에서 100 kHz 대역폭으로 측정이 됩니다.  클록 주파수(24MHz)와 하모닉 (48MHz, 72MHz,...)이 분명하게 확인이 됩니다.

FM 밴드에서의 작은 주변 노이즈에 주목합니다.  설명하였듯이 필요하다면 측정 값에서 이러한 주변 그라운드 노이즈를 감쇄할 수 있습니다.

SPECTRAL/SPATIAL 스캔 (최악의 조건)

a) BRD01A (2D) 구성

    이 구성은 디커플링 네트워크가 비활성화 상태이고 전원 소스로의 회귀전류 경로는 큰 크기의 루프를 이루게

    됩니다. 이러한 조건의 레이아웃에서 최대 에미션 노이즈가 예측 됩니다.

    본 보드는 주파수 영역 10MHz ~ 200MHz 구간에서 전체 스캐닝 작업이 이루어 집니다. 보드의 최대 활동 값은

    마우스를 예상되는 주파수 위치에 올려 좋으면 알 수 있습니다. 

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