RF 전자기장 노이즈 설계는 다음과 같이 합니다

RF의 전자기장에 의해 유도되는 전류는 전자기장의 강도, 유도 루프의 면적, 그라운드, 케이스의 종류 등 물리적 구조와 전자기장의 변화율과 신호의 주파수 등에 따라 달라지게 되므로, 영향받는 노이즈의 크기를 이론적인 정량으로 정의를 내리기는 힘듭니다. 

하지만, 규칙을 만들어서 설계함으로써 회로 수정의 시행착오를 줄일 수 있으므로, 시스템에 대한 회로 설계/PCB 설계를 할 때 규칙을 정해놓는 것이 좋습니다. 

RF 노이즈 대응 규칙의 예

예를 들어 전자기장 강도가 10V/m이라는 것은 1m 떨어진 두 지점 사이에 10V의 전압 차이가 발생한다는 의미입니다. 따라서, 10cm 지점에는 1V가 발생할 수 있고, 해당 유도 전류의 주파수는 IEC에 의하면 150kHz 부터 유도 노이즈의 영향을 받을 수 있으므로, 150kHz 를 규칙으로 합니다. 

일반적으로 표의 보호 레벨을 높게 설계할수록 전력 소비가 증가되므로, 클럭, 고속 시그널과 같이 민감한 디지털 신호 회로 또는 외부와 연결되는 회로에는 보호 레벨 3을, 일반 회로에는 보호 레벨 2로 차등 적용함으로써 RF 전자기장 보호와 소비 전력을 함께 대응할 수 있습니다. 또는, 차폐 효과가 있는 케이스의 사용으로 보호 레벨을 낮춰 저전력 설계도 할 수 있습니다. 

RF 노이즈 설계 예시

RF 전자기장 노이즈에 대한 일반적인 대처 방법은 도전성 재료를 이용한 차폐, 그라운드를 이용한 결합 분산, 커패시터를 이용한 노이즈 필터링, 적절한 용량의 풀업 저항 사용 등의 방식으로 RF에 대한 내성을 강화시킬 수 있습니다. 

아래 입력 임피던스가 큰 GPIO로 입력이 되는 스위치 회로를 보면서 위의 규칙을 적용한 예를 보겠습니다. 

풀업 저항 용량 변경으로 대응 

이런 RF 전자기장 노이즈는 전력이 유한하므로, 빠르게 소진할수록 노이즈의 영향은 줄어듭니다. 

위 표의 보호 레벨 2에서 150kHz, 50uA의 정현파가 회로 내 어디든지 흐를 수 있다고 가정했으므로, 커패시터가 없는 왼쪽 회로의 경우 10k ohm x 50uA = 0.5V로 ±0.5V 의 스윙이 일어난다고 가정할 수 있습니다. 이는 일반적인 CMOS의 노이즈 마진 0.7V보다 낮기도 하며, 3.3V의 15% 오버슈트로 앞에서 정한 최대 오버슈트 규칙에 만족한다고 할 수 있습니다.

만약, 보호 레벨 3이 필요하다고 하면 150uA 정현파가 가정이므로, 1.5V 정도의 스윙이 일어날 수 있으므로, 이는 만족스럽지 않습니다. 노이즈 마진 0.7V에 맞추기 위해서는 풀업 저항은 0.7V/150uA = 4.67k ohm 보다 작아야 하며, 보통은 4.7k ohm 을 사용해 노이즈 전력을 빨리 소진시켜 RF 내성을 강화합니다. 

풀업 저항 용량을 조절하여 대응하는 방식은 전력 손실이 높아지는데, 이런 경우 아래 디커플링(바이패스) 커패시터를 통해 대응이 가능합니다. 

디커플링 커패시터로 대응 

디커플링 커패시터가 사용된 오른쪽 회로 보호 레벨 3에 대해 보겠습니다. 물론, 여기서 커패시터의 목적은 스위치의 채터링을 방지하기 위한 디바운싱의 역할일 수도 있지만, 여기서는 디커플링(바이패스) 커패시터로서 RF 전자기장 노이즈에 대한 역할에 집중하기로 합니다. 

예를 들어, 150nF 커패시터와 10K ohm 저항과의 병렬 임피던스는 대략 7 ohm 이 되어 노이즈 간섭되는 전압은 3.3V ± 1mV의 값이 GPIO로 전달된다고 가정할 수 있고, 이는 RF 노이즈에 대하여 GPIO의 동작에 영향이 없다고 볼 수 있습니다. 이처럼 RF 커플링 노이즈에 대해서도 디커플링 커패시터의 역할은 매우 중요합니다. 

PCB 그라운드 패턴으로 대응 

소자의 용량 조절이나 커패시터 등을 사용하여 대책을 세울 수 없는 상황이 있는 경우가 있는데, 클럭 회로와 같이 회로의 특성상 커패시터의 소자 용량을 변경하면 주파수가 바뀌는 회로가 그러한 경우입니다. 

이런 경우 PCB 설계 시 노이즈에 취약한 회로의 근처에 그라운드 패턴 또는 쿠퍼를 두어 노이즈 커플링을 분산시켜 보호해야 합니다.

임피던스가 낮은 그라운드를 근처에 둠으로써, 신호선에 커플링되는 노이즈 자체의 양을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 그라운드와 신호 라인 간의 부유용량이 생성되어 노이즈가 바이패스될 수 있는 경로도 만들어질 수 있어 위의 디커플링 커패시터를 장착하는 것과 유사한 효과를 가집니다. 

이처럼 RF 노이즈 대응에서도 넓고 낮은 임피던스를 가진 그라운드의 역할은 절대적으로 중요합니다.