디지털 TV용 PCB에서의 EMI에 관한 연구 = (A) study on EMI issues in PCB for digital TV

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 디지털 TV용 PCB레벨에서 각 시스템 별로 크게 두 개의 부분으로 나누어EMI방사를 일으킬 수 있는 잡음원을 분석하고, 이에 대한 EMC대책 방안을 연구하였다. 여기서, 두 개의 시스템은 디스플레이 장치 및 디지털 신호처리부에 전력을 공급하는 전원부, 영상신호와 음성신호를 연산하여 처리하는 디지털 신호처리부로 구분하였다. 이 두 시스템을 디지털 TV가 구현하는 영상신호에 따라 발생하는 방사성EMI의 분포로써 비교하였다. 그리고, 영상 신호에 따른 각 시스템들의 동작특성을 분석하고, 잡음 발생원과 경로를 찾아내어, EMC규격 (FCC)에 적합한 수준으로 EMI 방사를 억제하는 대책방안을 제시하고자 한다.디지털 TV가 기존의 아날로그 TV보다 고밀도의 화질을 구현하기 위해서는 대량의 정보를 갖는 광대역의 디지털 신호를 고속으로 처리해야 한다. 이러한 요구사항으로 매우 빠른 edge time을 갖는 디지털 신호들에서 발생하는 고조파 성분이 EMI 문제를 야기할 수 있다. 그리고, 현재 디지털 TV는 점점 대형화되고 있는데, 일반적으로 대형의 고속 디지털 시스템은 많은 전력을 필요로 하고 있으며, 이것은 전원부에서 스위칭 잡음을 유발하여 접지가 불안정하게 되는 요인이 된다. 디지털 TV도 이와 같은 이유로 인해 전원부의 전원 스위칭 회로에서 EMI를 가중시킬 수 있다.본 연구에서는 맥스웰 방정식을 기초로 하여 전송선 이론의 임피던스 부정합으로써 반사에 의한 잡음 발생원리를 설명하였고, 영상신호에 따른 고조파 분포와 SSN의 발생 원리를 적용하였다. 그리고, 안테나 이론을 바탕으로 하여 이러한 잡음들의 고조파 성분이 PCB 자체 공진주파수와 일치하였을 때 방사될 수 있는 가능성을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.1280×768×75 Hz의 고해상도를 구현하는 디지털 TV는 대용량의 영상신호를 처리하기 위하여 100 MHz이상의 대역폭을 갖는 클락 신호를 필요로 한다. 이러한 신호를 만들어 내기 위해서는 최소 6 ns 이하의 edge time을 필요로 하며, 고차의 주파수 합성을 해야 한다. 따라서, 이러한 클락 신호를 처리하는 디지털 신호처리부의 IC와 인터페이스 케이블의 입•출력단에서 디지털 신호의 클락 주파수가 갖는 고조파 성분이 30 MHz ~ 1 GHz대역에서 디지털 TV의 방사성 EMI의 잠재적인 원인으로 작용하게 된다. 또한, 디지털 TV가 고속으로 스크롤 되는 'H' 패턴을 구현할 때, 고조파에 의한 잡음 방사가 더 심각해 질 수 있으며, 집적회로의 스위칭 횟수가 많아짐에 따라 SSN에 의한 영향과 전원 스위칭 회로의 접지 잡음 전류에 의해 30 ~ 300 MHz대역에서 EMI 방사를 일으킬 수 있다. 이와 같은 고조파 및 접지 잡음전류에 의한 EMI방사를 막기 위해 디지털 TV용 PCB의 접지 임피던스를 낮출 필요가 있는데, 더 넓은 면적의 접지를 확보하기 위해 폼 가스켓과 구리판을 사용하여 프레임과 기구 접지로 접지의 임피던스를 줄일 수 있었다. 그리고, 영상신호입력부와 DC전원입력부의 PCB 트레이스를 다점으로 통합함으로써, 각종 케이블에 의한 EMI 방사를 억제할 수 있었다. 이러한 방법들은 양산단계에서 비교적 쉽게 사용할 수 있는 방법들이기 때문에 EMC대책 부품사용을 최소화함으로써 비용절감의 효과를 가져올 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, noise source which radiates EMI on PCB separated with two systems for digital TV is analyzed and studied EMC countermeasure. Herein, one part of the two systems is display device and power supply. The other is digital signal processing section which computes image and voice data. These systems were compared by radiated EMI distribution generated in terms of video signals. Also, operation characters of each system were analyzed according to video signals. With studying noise source and noise path, it is analyzed that a detailed analysis of countermeasure suppressing EMI radiation with EMC standard (FCC).Digital TV must process broadband digital signal including large data at high speed to realize higher definition screen rather than conventional analog TV. Due to these requirements, harmonics in digital signal has the very fast edge time cause EMI problems. Digital TV may add an extra weights EMI radiation on power supply system for this reason. Furthermore, the noise phenomenon is explained with respect to the reflection using Lattice Diagram and impedance mismatching principle of transmission theory based upon Maxwell’s equation. It was applied that harmonics distribution and SSN of generation mechanism according to video signals. In addition, origination principle of SSN is described on the concept of Faraday’s law with respect to the kinds of IC, and the equivalent circuit of transmission line and PCB is modeled to analyze noise path. Moreover, it is confirmed by means of simulation that EMI may be radiated to the space, when resonance frequency of PCB coincides with harmonics of these noises applying the application of antenna theory.Digital TV achieving high definition of 1280×768×75 Hz needs clock signals requiring bandwidth of 100 MHz or more. It is needed the edge time at least 6 ns to generate these signals, and must be synthesized frequency of a high order. Therefore, potential EMI sources of digital TV work on the IC of digital processing section handling these clock signals and input-output ports of interface cable from 30 MHz to 1 GHz. Also, when digital TV realizes “H” pattern scrolling with high speed, noise radiation by harmonics is very serious while the switching number of times is multiple, there is a much possibility by effects of SSN and ground noise of the power switching circuit in 30 MHz ~ 1 GHz. We must turn down the ground impedance of PCB for digital TV to suppress EMI radiation by these harmonics and ground noise current. To hold more broad grounding, incorporating foam gasket and copper patch, we could lower impedance of frame and utensil grounding.With these results of EMI trend, it is simple to apply these countermeasures on the mass production level incorporating simply EMC countermeasures that do not change trace pattern of PCB on a large scale and utilize easy methods of grounding stability utilizing case and frame, component capacity modification and merger of ground of each sub-system.