신호 회로용 차폐 케이블: 1부 – 모범 사례

이 두 편의 블로그는 신호 회로용 차폐(실드) 케이블 사용을 다룹니다. 이 주제는 내 EMC 블로그에서 언급되었으며, 더 자세히 다시 다루겠다고 약속했습니다.

나중 블로그에서는 AC VSD를 모터에 연결하기 위한 권장 차폐 전력 케이블을 다룰 것입니다. 두 경우 모두 차폐 목적은 차폐 내부 회로와 외부 다른 회로 간 원치 않는 전자기 결합을 방지하는 것입니다. 핵심 차이점은 모터 케이블 차폐가 외부 회로를 보호하는 반면, 신호 케이블 차폐는 외부 전기 노이즈로부터 내부 회로를 보호한다는 점입니다.

차폐 케이블은 전자 시스템에서 흔하며 당연시되곤 합니다. 그러나 보이는 것만큼 단순하지 않으며, 자주 오용되고 오해됩니다. 다행히 현대 전자 회로는 일반적으로 전기 노이즈에 대한 내성이 좋아 케이블 관리 모범 사례가 지켜지지 않아도 시스템이 대개 작동합니다. 그러나 VSD를 사용할 때는 인버터가 상당한 전자기 노이즈를 생성하므로, 관련 제어 회로가 제대로 배치되지 않으면 교란을 일으킬 수 있어 올바른 관행이 훨씬 더 중요해집니다.

1부는 차폐 신호 케이블의 일반 원리를, 2부는 더 구체적인 실무 세부 사항을 다룹니다.

자주 묻는 질문들

차폐 케이블 관리에 대한 다양한 규칙이 타당한 이유로 생겼지만, 서로 상충되고 혼란스러울 수 있습니다. 여기에 답하고자 하는 일반적인 질문들이 있습니다:

차폐 양단을 반드시 연결해야 하는가?
차폐 양단을 연결하지 말아야 하는가?
차폐를 접지(어스)에 반드시 연결해야 하는가?
접지(어스) 루프를 걱정해야 하는가?
접지 피그테일은 얼마나 길 수 있는가?
단자 블록을 어떻게 통과시키는가?
밸런스드(차동) 아날로그 회로를 어떻게 연결하는가?
이더넷은 어떤가? 비차폐 케이블이 작동하는가?

몇 가지 중요한 용어

다음 설명에서:

접지(ground)는 메인즈 연결 시스템의 안전 접지 또는 어스(PE)로, 궁극적으로 건물의 보호 본딩 네트워크와 물리적 접지(어스)에 연결됩니다. 신호 회로가 안전 이유 아닌 이유로 접지에 연결되면 기능적 접지(functional ground)라고 하며, 안전 접지와 구별됩니다.

시스템에서 신호 리턴 또는 공통 또는 기준 연결은 여기서 '기준 극(reference pole)'이라고 합니다. Control Techniques 장비에서는 '0V' 연결로 지칭합니다. 이는 종종 접지에 연결되지만 필수는 아닙니다. 일부 밸런스드 데이터 회로는 기준 극이 없을 수 있습니다.

전기 패널에서 금속 구조의 주 질량은 '섀시(chassis)'라고 합니다. 이는 보통 안전 이유로 접지에 연결되지만, 전기 노이즈 고려사항에서는 서로 다른 전기적 전위를 가지지 않을 광범위한 도전 표면이라는 점이 더 중요합니다.

밸런스드 또는 푸시풀 신호 회로에서 신호 라인은 A+와 A-로 지칭합니다. 설계에 따라 연관된 0V 또는 섀시 연결이 있을 수도, 없을 수도 있습니다.

'고주파(high frequency)'는 대략 무선 통신 범위의 주파수, 케이블 컷오프 주파수 훨씬 위, 예: 약 50kHz 이상을 의미합니다. VSD에서는 전력 반도체의 매우 빠른 스위칭 부작용으로 이런 고주파가 발생합니다.

전기 노이즈(간섭)란?

여기서 전기 노이즈는 전기 회로 간 원치 않는 상호작용의 효과를 말합니다. 모든 전기 활동은 인근 회로에 원치 않는 전기 신호를 유도할 수 있는 전자기장을 생성합니다. 일반적으로 효과는 무선 주파수 범위에서 가장 심한데, 전압과 전류의 급격한 변화가 원치 않는 결합을 강화하기 때문입니다. 신호 회로는 고주파 간섭에 민감할 수 있는데, 자체적으로 고주파를 사용하거나(예: 직렬 디지털 데이터 링크, 엔코더 데이터), 의도한 대역폭 훨씬 너머의 고주파에 의도치 않은 민감성을 가지기 때문입니다(예: 아날로그 입력). 잘 설계된 신호 회로는 애플리케이션 요구사항에 맞춰 대역폭을 조정하여 불필요하게 빠른 교란에 민감하지 않게 합니다. 그러나 의도한 대역 밖의 높은 레벨 교란도 비선형성 때문에 에러를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 이동전화(휴대폰)로 인한 오디오 시스템 간섭을 흔히 듣는 이유입니다.

이 노이즈의 중요한 특징은 극도로 넓은 주파수 범위를 커버할 수 있다는 것입니다. 간섭은 50/60Hz 상용 주파수 소스부터 이동전화 및 기타 무선 주파수 영역인 약 2~5GHz까지 발생할 수 있습니다. 이는 8개 주파수 차이이며, 일부 주파수에 잘 작동하는 규칙이 다른 주파수에서는 비효과적이거나 역효과를 낼 수 있습니다. 이 때문에 EMC와 차폐 케이블 관리 규칙이 때로는 상충되어 보일 수 있습니다. 특정 주파수 범위의 위협을 위해 의도되었을 수 있기 때문입니다.

참고로 또 다른 전기 노이즈는 0K 이상의 온도에서 모든 회로에 고유하게 존재하는 열적으로 생성된 랜덤 노이즈입니다. 이는 고감도 무선 수신 장비에만 관심사이며 여기서는 다루지 않습니다.

차폐 케이블 작동 원리

차폐 케이블은 하나 이상의 신호 코어를 연속적인 차폐 도체가 감싸고 있습니다. 동축 케이블은 단일 내부 코어를 차폐가 감싸고 있으며 주로 무선 주파수 애플리케이션에 사용됩니다. 차폐는 주로 가는 와이어 브레이드로 만들어지며, 전도성 포일로 보완될 수 있습니다. 드물게 차폐가 단단한 금속이거나 페라이트 같은 자성 재료를 포함하기도 합니다.

차폐의 목적은 외부 전자기 에너지가 신호 회로에 원치 않는 신호를 유도하는 것을 방지하는 것입니다. 전자기장은 관련된 자기장과 전기장으로 구성됩니다. 작동 이해를 돕기 위해 전기장과 자기장 효과를 별도로 고려해 보겠습니다. 회로가 전자기 간섭에 면역이 되려면 전기장과 자기장 모두에 면역이어야 합니다.

전기장 차폐

이것이 이해하기 가장 간단한 메커니즘입니다. 그림 1은 외부 노이즈 소스에서 오는 전기장 E가 단순한 단일 라인(언밸런스드) 신호 회로로 연결된 신호 소스와 부하 사이의 차폐 케이블에 입사하는 것을 보여줍니다. 전기장은 차폐 도체에서 종료되어 내부 도체로 침투하지 않으므로 간섭이 발생하지 않습니다.

차폐가 없으면 전기장이 변할 때마다 신호 회로에 전류가 유도됩니다. 이는 회로 임피던스에 따라 양이 달라지는 수신 전압에 과도 에러, 즉 노이즈를 일으킵니다. 임피던스가 높을수록 에러 전압이 커집니다. 보통 소스는 에러 전압을 최소화하기 위해 낮은 임피던스로 설계됩니다.

그림 1: 전기장 차폐 메커니즘

그림 1에서 접지 연결은 선택 사항으로 표시되는데, 원칙적으로 차폐 작동을 위해 필요하지 않기 때문입니다. 필수적인 것은 소스와 부하 기준 극이 차폐에 연결되어 신호 전압이 차폐를 기준으로 내부 도체에 존재하게 하는 것입니다.

실제로는 소스와 부하 설계에 따라 기준 극에 전기적 전위를 견디지 못할 수 있으므로 차폐를 접지에 연결하는 것이 일반적입니다. 그림 1에는 접지 연결이 단 하나만 있으며, 단순한 전기장 차폐에서는 연결 위치가 중요하지 않습니다. 그러나 전기장 E가 시간에 따라 변하면 변화하는 전기 전하 때문에 접지로 전류가 흐릅니다. 전류가 흐르면 자기장 효과도 고려해야 합니다. 주파수가 증가하면 전기장과 관련된 전류도 증가하므로 그림 1 배치는 50/60Hz 상용 주파수 같은 저주파 전기장 간섭 배제에만 정말 성공적입니다.

자기장 차폐

차폐 케이블의 자기장 차폐 효과는 이해하기 조금 더 어렵지만 똑같이 중요합니다. 전류가 흐르는 곳에는 연관된 자기장이 있으며, 이들이 변할 때 회로에 전기적 전위를 유도합니다. 그림 2는 그림 1과 같은 회로에 링크된 외부 전류 회로에서 기인한 자기 플럭스 B를 보여줍니다.

그림 2: 자기장 차폐 메커니즘

자기장이 변하면 도체에 유도 전위가 생기는데, 이는 도체에 링크된 자기 플럭스 변화율에 비례합니다. 여기서는 차폐에 E_B1, 내부 도체에 E_B2로 표시합니다.

유도 전위는 수신 신호의 과도 에러, 즉 노이즈가 될 수 있지만, 그림 2에 설명된 사실 때문에 예외가 발생합니다:

내부 및 외부(차폐) 도체에 정확히 동일한 전압이 유도됩니다. 즉 E_B1 = E_B2입니다.

이유는 차폐 도체에 링크된 자기 플럭스가 본질적으로 내부 도체에도 링크되어야 하기 때문입니다.

빨간색으로 표시된 전압 E_B1과 E_B2는 신호 회로에서 크기가 같고 반대 방향이므로 부하에서 상쇄됩니다.

두 유도 전압을 불균형하게 만드는 일이 없으면 상쇄는 매우 정확하며, 차폐 케이블은 변화하는 자기장으로부터 탁월한 보호를 제공합니다.

그림 2에서 소스나 부하가 다른 회로에 연결되지 않음, 즉 갈바닉 절연됨을 알 수 있습니다. 이 경우 차폐에 전류가 흐를 수 없으며 E_B1과 E_B2 사이에 에러를 일으킬 것이 아무것도 없습니다.

실제로는 갈바닉 절연이라도 스트레이 커패시턴스가 있어 고주파에서 일부 전류가 흐를 수 있습니다. 그러나 차폐에 흐르는 전류는 신호 도체에도 링크되는 자기 플럭스 변화를 일으킵니다. 상쇄 메커니즘은 여전히 작동합니다.

저주파 차폐 전류

그림 2에서 외부 자기장에 의한 유도 전압이 내부 및 외부 도체에 동일함을 보였습니다. 동일하게 유도되지 않는 또 다른 전압 소스는 단순 저항 전압 강하입니다. 그림 3은 송신단과 수신단 모두 로컬 섀시나 접지에 연결되어 있고, 접지 차동 전압 E_D가 차폐에 전류 I_D를 흐르게 하는 상황을 보여줍니다. 차동 전압은 완전한 시스템의 다양한 효과, 본질적으로 케이블 차폐가 모든 종류의 전자기파를 위한 수신 안테나처럼 작동하며 수집한 다양한 노이즈 전압의 합과 상용 주파수 같은 순환 누설 전류로 인한 전압 강하에 의해 발생할 수 있습니다.

드라이브 시스템에서 모터 샤프트 엔코더를 사용할 때 특별한 접지 차동 전압 소스가 있습니다. 차폐 모터 케이블을 사용해도 모터 권선과 케이블의 빠른 PWM 펄스로 인해 모터 본체가 접지 기준으로 상당한 노이즈 전압을 가질 수 있습니다. 샤프트 엔코더가 금속 본체를 가지고 모터 본체에 직접 고정되면 엔코더 케이블 차폐에 접지 차동 전압을 피하기 어렵습니다.

그림 3: 차폐 전류의 효과

전류 I_D는 차폐에 두 성분의 전압 강하를 일으킵니다:

유도 성분 IjωL (L은 케이블 차폐 인덕턴스)
저항 성분 IR (R은 케이블 차폐 저항)

유도 성분은 전류가 유도한 자기장에 의해 발생합니다. 자기장은 내부 도체에도 링크되므로 E_B1과 E_B2에 동일하게 기여하며 수신 신호를 교란하지 않습니다.[1]

저항 성분은 E_B2에 나타나지 않으므로 신호와 직렬로 나타나 에러를 일으킵니다.

전기장은 유도 전류를 일으키므로 효과가 회로 임피던스에 비례하는 반면, 여기서는 유도 전압이 발생합니다. 신호 소스 임피던스를 낮추어도 에러가 줄어들지 않습니다. 자기장 유도가 주요 간섭 소스일 때 최선 기술은 전류 신호를 사용하는 것이며, 이 때문에 매우 긴 신호 케이블 배선을 가진 공정 제어 시스템에서 4-20mA 전류 소스 방식이 널리 쓰입니다.

인덕턴스가 케이블 임피던스를 지배하는 고주파에서는 IR이 상대적으로 작습니다. 또한 스킨 효과로 고주파에서 유효 저항이 더 작아지는데, 전류가 차폐 안쪽이 아닌 바깥쪽을 주로 흐르기 때문입니다. 결과적으로 저주파에서 케이블 차폐 효과가 떨어집니다. 이는 차폐 컷오프 주파수로 측정되며, 이 이하에서는 비효과적입니다. 흔히 사용되는 케이블에서 1kHz~10kHz 범위에 있는 경향이 있습니다[참고 문헌 62페이지 참조].

그림 3은 '피그테일', 즉 차폐 리턴 연결에 사용되는 와이어 길이의 효과도 보여줍니다. 전류 I_D가 피그테일을 흐르며, 피그테일 인덕턴스에서의 전압 강하가 신호와 직렬로 나타납니다. 이는 두 도체에 모두 나타나지 않는 유도 전압 강하이므로 차폐 케이블에 의해 상쇄되지 않습니다. 피그테일은 고주파에서 케이블 차폐 능력을 해칩니다.

케이블 차폐 유형

전통적인 케이블 차폐는 가는 구리 와이어 브레이드로, 커버리지가 100%에 가까움(브레이드 '윈도우' 최소화). 일부 데이터 케이블은 금속 포일이나 금속화 플라스틱 포일을 단독으로 또는 브레이드와 함께 사용합니다.

광범위한 주파수에서 효과적이려면 차폐는 최대 커버리지, 낮은 저항, 브레이드 간 양호한 길이 방향 연속성을 가져야 전류가 바깥쪽으로 최소 전압 강하와 내부 전류와의 최소 혼합으로 흐를 수 있습니다. 포일만으로는 저항이 꽤 높아 비효과적이지만, 브레이드와 결합하면 내부와 외부 도전 표면 분리에 도움이 될 수 있습니다.

참고 문헌

Henry W Ott: Electromagnetic compatibility engineering: Wiley: ISBN 978-0-470-18930-6