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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 좌성훈
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수9
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최근 정보통신기술은 5G 이동통신 기술 및 10 Gbps ethernet 기술의 상용화 및 기술발전으로 인하여 통신 속도 및 고주파 noise는 증가하고 있으며, 이에 따라서 radiative EMI 및 conductive EMI도 증가하고 있다. 이러한 radiative EMI 및 conductive EMI의 발생은 주변의 전자기기들에 영향을 주어 오동작 원인이 되고 있다. 본 연구는 첫 번째로 heat sink를 활용하여 EMI를 저감하는 연구, 두 번째로는 DC-DC SMPS의 EMI 저감 및 소형화를 위하여 MLCC X, Y-capacitor EMI filter를 제안하였다. 그리고 세 번째로는 set-top box에서 HDMI cable 체결 시 신호 및 EMI 특성을 연구하였다. 첫 번째 연구의 배경은 통신소자 및 CPU의 부하 증가로 인하여 시스템은 고열이 발생되며, 필수적으로 heat sink를 사용하고 있다. 이러한 heat sink는 통신기기 및 전자기기의 내부에서 발생되는 전자파를 외부로 방출시키는 안테나와 같은 역할을 한다. 첫 번째 연구는 heat sink를 사용한 통신기기의 radiative EMI를 개선하기 위한 연구이며, heat sink와 PCB 접점에 radiative EMI filter를 적용하였다. EMI filter는 실장 및 소형화가 용이한 다층 세라믹 capacitor(MLCC)를 사용하였으며, MLCC 용량은 1, 33, 100 pF을 각각 사용하였다. EMI 실험은 국내 전파법 기준 및 국제표준에 따라 실시하였다. 실험을 위한 장치와 안테나의 거리는 3 m위치, 실험 장소는 무향실에서 진행하였다. MLCC filter를 적용하지 않은 경우, radiative EMI는 허용되는 기준 값을 초과하였다. MLCC filter를 각각 1 및 33 pF로 적용한 경우, radiative EMI는 감소되었으나, 특정 주파수에서 허용되는 기준 값을 초과하였다. MLCC filter 100 pF을 적용 시에 허용되는 기준을 충족하였다. 또한 radiative EMI filter의 적용은 conductive EMI 성능에 영향을 주지 않음을 실험을 통하여 확인하였다. 결론적으로 heat sink와 PCB 접지 사이의 MLCC filter를 사용하여 시스템 radiative EMI noise가 발생하는 주파수 대역의 radiative EMI noise를 감소 시켰으며, heat sink 구조를 활용한 EMI filter의 설계 방향을 제시하였다.
두 번째 연구의 배경은 초고속 ethernet 기술로 인한 동작 주파수 및 data 속도가 증가함에 따라서 radiative EMI 및 conductive EMI는 증가하고 있어 대책이 필요하다. 특히 고속 ethernet 스위치에서 사용하고 있는 DC-DC SMPS는 EMI가 가장 많이 발생하는 장치이다. 두 번째 연구는 EMI가 발생하는 주요 원인인 DC-DC SMPS EMI를 줄이기 위해 EMI filter를 적용하였다. DC-DC SMPS EMI filter 소자는 소형화, 양산화에 장점을 가지며, 내전압이 2 kV의 우수한 MLCC를 적용하였다. MLCC filter는 X-capacitor 및 X, Y-capacitor로 구성되어 있다. X-capacitor는 전원선로(+)와 전원선로(-) 사이의 capacitor이며, Y-capacitor는 전원선로(+,-)와 접지사이의 capacitor 이다. 본 연구에서는 X-capacitor는 10 nF 및 100 nF 용량 2 개의 MLCC와 1 개의 마일러콘덴서로 구성하였다. Y-capacitor filter는 MLCC 6 개를 사용하였으며, 용량은 27 nF을 사용하였다. X-capacitor만을 EMI filter로 적용한 경우, conductive EMI는 주파수 대역 0.15 MHz ~ 30 MHz에서 EMI 전계강도가 허용 기준 값을 초과하였다. 또한 radiative EMI 전계강도는 특정 주파수에서 허용 기준 값을 초과하였으며, 허용 margin폭도 매우 작음을 알 수 있었다. 반면 X, Y-capacitor를 적용하였을 경우, 전 주파수 대역에서 radiative EMI는 충분한 margin을 확보하였으며, conductive EMI가 크게 감소하였음을 알 수 있었다. 또한 X, Y-capacitor의 전기적인 신뢰성을 평가하기 위하여 절연저항 및 내전압 성능을 실험하였으며, 내전압 및 절연저항 성능이 모두 전기적 신뢰성 기준을 충족함을 알 수 있었다. 결론적으로 MLCC filter를 X, Y-capacitor로 사용하여 conductive 및 radiative EMI noise가 효과적으로 저감되었으며, 전기적인 신뢰성 성능 margin이 확보됨을 실험을 통하여 알 수 있었다.
세 번째 연구의 배경은 ethernet data 전송속도의 증가로 다양한 multimedia 서비스를 가능하게 하였다. Multimedia 서비스의 재생을 위해서는 set-top box를 사용하며, set-top box는 HDMI 규격에 따른 신호를 TV로 전송하여 multimedia 신호를 재생한다. Set-top box에서 HDMI 표준을 지원하는 경우, 전송신호는 TV, 모니터까지 정상신호를 보내고 받을 수 있어야 하며, HDMI 신호 및 전자파 성능보장을 위한 HDMI 인증 및 전자파 인증이 필요하다. 현재 대부분의 set-top box 사용자는 인증 받은 HDMI cable을 TV에 체결하여 사용할 경우, 전송신호 품질 및 전자파 간섭 등의 성능에는 문제없을 것이라는 전제하에 사용 되어왔다. 세 번째 연구에서는 인증 받은 제품의 set-top box, TV, HDMI cable을 체결하여 사용하더라도 신호 품질 저하 및 radiative EMI noise가 증가할 수 있음을 실험을 통하여 고찰하였다. 본 실험에서의 set-top box, HDMI cable, TV는 HDMI 및 전자파 인증 받은 제품을 사용하였다. Set-top box와 HDMI cable을 체결한 경우의 multimedia 전송신호 품질을 실험한 결과, 전송신호의 하강시간 및 상승시간은 HDMI CTS 표준을 충족하였으나, mask 그래프는 HDMI CTS 표준의 기준을 충족하지 못하였다. 2개의 제조사가 다른 TV를 HDMI cable을 사용하여 set-top box에 체결 후 radiative EMI 실험을 진행한 결과, 한 종류의 TV에서 radiative EMI표준을 충족하지 못하였다. 또한 radiative EMI noise의 분포는 주파수 대역별로 TV 제조사에 따라 차이가 있음을 확인하였다. 결론적으로 인증 받은 set-top box, HDMI cable, TV를 체결하여 multimedia 신호를 재생할 경우, 신호성능 및 전자파 품질은 표준규격을 충족할거라고 예상하였다. 그러나 실험 결과는 표준규격을 충족하지 못하였다. 즉, set-top box 출하 시 TV 및 HDMI cable을 체결하여 제조사별로 전송신호특성 및 EMI 실험을 진행해야하며, set-top box와 체결 시 성능이 우수한 TV 및 HDMI cable 제품들을 고시하여 사용할 수 있게 해야 한다.
Recently, radiative electromagnetic interference (EMI) is increasing due to an increase in high-frequency and data rates noise with the commercialization of 5G and 10 Gbps ethernet technologies. The generation of EMI will influence the performance of nearby electronic devices and lead to malfunction of devices. The use of a heat sink also became essential as high heat is generated due to an increase in the load on the communication devices and CPU. However, the heat sink can act as an antenna that radiates electromagnetic waves generated from the inside of the devices, which may cause electromagnetic interference problem. In this study, we applied EMI filters between the PCB and heat sink to reduce the radiated EMI. The multi-layer ceramic capacitor (MLCC) was used for EMI filter, which has advantages in miniaturization and packaging. MLCCs of 1, 33, and 100 pF were used, respectively. The EMI test was conducted in an electromagnetic anechoic chamber according to domestic standards and international at a distance of 3 m between the antenna and the device. If MLCC was not applied, the radiated EMI generated exceeded the allowable limit. When MLCCs of 1 and 33 pF were applied, respectively, radiated EMI was reduced, but exceeded the allowable limit at the specific frequencies. In the case of applying MLCC of 100 pF, the radiated EMI was improved overall from 30 MHz to 1,000 MHz and satisfied the allowable limit of EMI standard. In addition, it was confirmed that the application of the EMI filter did not affect the conducted EMI. In conclusion, we successfully applied the MLCC filters to reduce radiated EMI and presented a design of the EMI filter using the heat sink.
As the operating frequencies and data speed of ethernet keeps increasing, electromagnetic interference (EMI) also becomes increasing. The generation of such EMI will cause malfunction of near electronic devices. In this study, EMI filters were used to reduce the EMI generated by DC-DC SMPS (switching mode power supply), which is the main cause of EMI generation of ethernet switch. As the EMI filter, MLCCs with excellent withstanding voltage characteristics were used, which had advantages in mass production and miniaturization. Two types of EMI MLCC filters were applied, which are X-capacitor and X, Y-capacitor. X-capacitor was composed of 2 MLCCs with 10 nF and 100 nF capacity and 1 Mylar capacitor. Y-capacitor was consisted of 6 MLCCs with a capacity of 27 nF. When only X-capacitor was applied as EMI filter, the conductive EMI field strength exceeded the allowable limit in frequency band of 0.15 MHz ~ 30 MHz. The radiative EMI also showed high EMI strength and very small allowable margin at the specific frequencies. When the X and Y-capacitors were used, the conductive EMI was greatly reduced, and the radiation EMI was also found to have sufficient margin. In addition, X, Y-capacitors showed very high insulation resistance and withstanding resistance performances. In conclusion, EMI X, Y-capacitors using MLCCs reduced the EMI noise effectively and showed excellent electrical reliability.
The increase in data transmission speed using ethernet technology has enabled various ethernet-based multimedia services. A set-top box is commonly used for multimedia service devices, and set-top box transmits multimedia signals to TV according to the HDMI(high definition multimedia interface) standard. The signal from set-top box must be transmitted normally to TV and monitors, and qualified certifications of HDMI and radiated electromagnetic interference(EMI) are essential to guarantee the performances of EMI and transmission signal. It was assumed that there will be no problems in performances of EMI and transmission signal when the certified HDMI cable is connected to TV and set-top box. In this study, we investigated the possibility of degradation in EMI and transmission signal and EMI characteristics when the HDMI cable is connected to set-top box and also connected to TV. In the experiment, HDMI and EMI-certified HDMI cable, set-top box, and TVs were used respectively. First, when the HDMI cable was connected to set-top box, the rise and fall times of the transmitted signals met the HDMI compliance test specification(CTS), but the mask waveform did not meet the HDMI CTS standard. Secondly, set-top box was connected to two different types of TVs using HDMI cables, one type of TV did not meet the radiated EMI standard, and the distributions of radiated EMI noise were different according to types of TVs. The connection of the HDMI cable to set-top box and TVs might cause the degradation in the performance of EMI and transmission signal, and consequently did not meet the certification standards. Therefore, the EMI and signal performances should be tested with TV, set-top box, and HDMI cable connected before shipping, and their results must be notified.
두 번째 연구의 배경은 초고속 ethernet 기술로 인한 동작 주파수 및 data 속도가 증가함에 따라서 radiative EMI 및 conductive EMI는 증가하고 있어 대책이 필요하다. 특히 고속 ethernet 스위치에서 사용하고 있는 DC-DC SMPS는 EMI가 가장 많이 발생하는 장치이다. 두 번째 연구는 EMI가 발생하는 주요 원인인 DC-DC SMPS EMI를 줄이기 위해 EMI filter를 적용하였다. DC-DC SMPS EMI filter 소자는 소형화, 양산화에 장점을 가지며, 내전압이 2 kV의 우수한 MLCC를 적용하였다. MLCC filter는 X-capacitor 및 X, Y-capacitor로 구성되어 있다. X-capacitor는 전원선로(+)와 전원선로(-) 사이의 capacitor이며, Y-capacitor는 전원선로(+,-)와 접지사이의 capacitor 이다. 본 연구에서는 X-capacitor는 10 nF 및 100 nF 용량 2 개의 MLCC와 1 개의 마일러콘덴서로 구성하였다. Y-capacitor filter는 MLCC 6 개를 사용하였으며, 용량은 27 nF을 사용하였다. X-capacitor만을 EMI filter로 적용한 경우, conductive EMI는 주파수 대역 0.15 MHz ~ 30 MHz에서 EMI 전계강도가 허용 기준 값을 초과하였다. 또한 radiative EMI 전계강도는 특정 주파수에서 허용 기준 값을 초과하였으며, 허용 margin폭도 매우 작음을 알 수 있었다. 반면 X, Y-capacitor를 적용하였을 경우, 전 주파수 대역에서 radiative EMI는 충분한 margin을 확보하였으며, conductive EMI가 크게 감소하였음을 알 수 있었다. 또한 X, Y-capacitor의 전기적인 신뢰성을 평가하기 위하여 절연저항 및 내전압 성능을 실험하였으며, 내전압 및 절연저항 성능이 모두 전기적 신뢰성 기준을 충족함을 알 수 있었다. 결론적으로 MLCC filter를 X, Y-capacitor로 사용하여 conductive 및 radiative EMI noise가 효과적으로 저감되었으며, 전기적인 신뢰성 성능 margin이 확보됨을 실험을 통하여 알 수 있었다.
세 번째 연구의 배경은 ethernet data 전송속도의 증가로 다양한 multimedia 서비스를 가능하게 하였다. Multimedia 서비스의 재생을 위해서는 set-top box를 사용하며, set-top box는 HDMI 규격에 따른 신호를 TV로 전송하여 multimedia 신호를 재생한다. Set-top box에서 HDMI 표준을 지원하는 경우, 전송신호는 TV, 모니터까지 정상신호를 보내고 받을 수 있어야 하며, HDMI 신호 및 전자파 성능보장을 위한 HDMI 인증 및 전자파 인증이 필요하다. 현재 대부분의 set-top box 사용자는 인증 받은 HDMI cable을 TV에 체결하여 사용할 경우, 전송신호 품질 및 전자파 간섭 등의 성능에는 문제없을 것이라는 전제하에 사용 되어왔다. 세 번째 연구에서는 인증 받은 제품의 set-top box, TV, HDMI cable을 체결하여 사용하더라도 신호 품질 저하 및 radiative EMI noise가 증가할 수 있음을 실험을 통하여 고찰하였다. 본 실험에서의 set-top box, HDMI cable, TV는 HDMI 및 전자파 인증 받은 제품을 사용하였다. Set-top box와 HDMI cable을 체결한 경우의 multimedia 전송신호 품질을 실험한 결과, 전송신호의 하강시간 및 상승시간은 HDMI CTS 표준을 충족하였으나, mask 그래프는 HDMI CTS 표준의 기준을 충족하지 못하였다. 2개의 제조사가 다른 TV를 HDMI cable을 사용하여 set-top box에 체결 후 radiative EMI 실험을 진행한 결과, 한 종류의 TV에서 radiative EMI표준을 충족하지 못하였다. 또한 radiative EMI noise의 분포는 주파수 대역별로 TV 제조사에 따라 차이가 있음을 확인하였다. 결론적으로 인증 받은 set-top box, HDMI cable, TV를 체결하여 multimedia 신호를 재생할 경우, 신호성능 및 전자파 품질은 표준규격을 충족할거라고 예상하였다. 그러나 실험 결과는 표준규격을 충족하지 못하였다. 즉, set-top box 출하 시 TV 및 HDMI cable을 체결하여 제조사별로 전송신호특성 및 EMI 실험을 진행해야하며, set-top box와 체결 시 성능이 우수한 TV 및 HDMI cable 제품들을 고시하여 사용할 수 있게 해야 한다.
Recently, radiative electromagnetic interference (EMI) is increasing due to an increase in high-frequency and data rates noise with the commercialization of 5G and 10 Gbps ethernet technologies. The generation of EMI will influence the performance of nearby electronic devices and lead to malfunction of devices. The use of a heat sink also became essential as high heat is generated due to an increase in the load on the communication devices and CPU. However, the heat sink can act as an antenna that radiates electromagnetic waves generated from the inside of the devices, which may cause electromagnetic interference problem. In this study, we applied EMI filters between the PCB and heat sink to reduce the radiated EMI. The multi-layer ceramic capacitor (MLCC) was used for EMI filter, which has advantages in miniaturization and packaging. MLCCs of 1, 33, and 100 pF were used, respectively. The EMI test was conducted in an electromagnetic anechoic chamber according to domestic standards and international at a distance of 3 m between the antenna and the device. If MLCC was not applied, the radiated EMI generated exceeded the allowable limit. When MLCCs of 1 and 33 pF were applied, respectively, radiated EMI was reduced, but exceeded the allowable limit at the specific frequencies. In the case of applying MLCC of 100 pF, the radiated EMI was improved overall from 30 MHz to 1,000 MHz and satisfied the allowable limit of EMI standard. In addition, it was confirmed that the application of the EMI filter did not affect the conducted EMI. In conclusion, we successfully applied the MLCC filters to reduce radiated EMI and presented a design of the EMI filter using the heat sink.
As the operating frequencies and data speed of ethernet keeps increasing, electromagnetic interference (EMI) also becomes increasing. The generation of such EMI will cause malfunction of near electronic devices. In this study, EMI filters were used to reduce the EMI generated by DC-DC SMPS (switching mode power supply), which is the main cause of EMI generation of ethernet switch. As the EMI filter, MLCCs with excellent withstanding voltage characteristics were used, which had advantages in mass production and miniaturization. Two types of EMI MLCC filters were applied, which are X-capacitor and X, Y-capacitor. X-capacitor was composed of 2 MLCCs with 10 nF and 100 nF capacity and 1 Mylar capacitor. Y-capacitor was consisted of 6 MLCCs with a capacity of 27 nF. When only X-capacitor was applied as EMI filter, the conductive EMI field strength exceeded the allowable limit in frequency band of 0.15 MHz ~ 30 MHz. The radiative EMI also showed high EMI strength and very small allowable margin at the specific frequencies. When the X and Y-capacitors were used, the conductive EMI was greatly reduced, and the radiation EMI was also found to have sufficient margin. In addition, X, Y-capacitors showed very high insulation resistance and withstanding resistance performances. In conclusion, EMI X, Y-capacitors using MLCCs reduced the EMI noise effectively and showed excellent electrical reliability.
The increase in data transmission speed using ethernet technology has enabled various ethernet-based multimedia services. A set-top box is commonly used for multimedia service devices, and set-top box transmits multimedia signals to TV according to the HDMI(high definition multimedia interface) standard. The signal from set-top box must be transmitted normally to TV and monitors, and qualified certifications of HDMI and radiated electromagnetic interference(EMI) are essential to guarantee the performances of EMI and transmission signal. It was assumed that there will be no problems in performances of EMI and transmission signal when the certified HDMI cable is connected to TV and set-top box. In this study, we investigated the possibility of degradation in EMI and transmission signal and EMI characteristics when the HDMI cable is connected to set-top box and also connected to TV. In the experiment, HDMI and EMI-certified HDMI cable, set-top box, and TVs were used respectively. First, when the HDMI cable was connected to set-top box, the rise and fall times of the transmitted signals met the HDMI compliance test specification(CTS), but the mask waveform did not meet the HDMI CTS standard. Secondly, set-top box was connected to two different types of TVs using HDMI cables, one type of TV did not meet the radiated EMI standard, and the distributions of radiated EMI noise were different according to types of TVs. The connection of the HDMI cable to set-top box and TVs might cause the degradation in the performance of EMI and transmission signal, and consequently did not meet the certification standards. Therefore, the EMI and signal performances should be tested with TV, set-top box, and HDMI cable connected before shipping, and their results must be notified.
목차
- 영문약어 ⅰ요약 ⅱ표목차 ⅸ그림목차 ?I. 서 론 11.1 연구의 배경 및 목적 11.2 연구 방법 11.2.1 Heat sink를 활용한 EMI 저감 설계 11.2.2 MLCC를 이용한 SMPS EMI 저감 설계 31.2.3 HDMI cable 체결 시 multimedia 전송신호 및 radiative EMI의 특성 분석 51.3 논문의 구성 7II. 이론적 고찰 82.1 EMI 발생 원리 82.1.1 펄스파형의 EMI 발생 82.1.2 Differential mode와 common mode EMI 발생 132.1.3 PCB 및 HDMI Cable 간섭에 의한 EMI 발생 162.1.4 스위칭 전원 noise에 의한 EMI 발생 222.1.5 시스템에서의 radiative EMI 및 conductive EMI 발생 262.2 EMI 규격 및 측정방법 282.2.1 EMI 분류 및 규격 282.2.2 Radiative 및 conductive EMI 측정 302.3 EMI 저감 대책 322.3.1 Radiative, conductive EMI 저감을 위한 회로 설계 322.3.2 Radiative, conductive EMI 저감을 위한 PCB 설계 332.3.3 기구적인 radiative, conductive EMI 저감 대책 36III. Heat sink를 활용한 EMI 저감 설계 393.1 FTTx 기술 및 구조 393.1.1 FTTx 망 구성 393.1.2 FTTx 기기 구성 403.1.3 ONT 시스템 구조 413.1.4 ONT PCB 구조 433.1.5 Heat sink 구조 453.1.6 Radiative EMI filter 회로 473.2 ONT 시스템 EMI 발생원인 493.2.1 MLCC filter 설계 493.2.2 Radiative EMI 실험 513.2.3 Conductive EMI 실험 533.3 ONT radiative, conductive EMI 실험 방법 573.3.1 MLCC filter 설계 573.3.2 Radiative EMI 실험 583.3.3 Conductive EMI 실험 603.4 ONT radiative, conductive EMI 실험결과 및 고찰 633.4.1 Radiative EMI 실험결과 633.4.2 Conductive EMI 실험결과 71IV. MLCC를 이용한 SMPS EMI 저감 설계 744.1 DC-DC SMPS EMI 발생원인 744.1.1 DC-DC SMPS 전원 noise에 의한 EMI 발생 744.2 Ethernet L2 스위치 및 SMPS 기술 및 구조 764.2.1 Ethernet L2 스위치 및 SMPS 기술 764.2.2 SMPS Y-capacitor filter설계 알고리즘 794.3 Ethernet L2 스위치 및 SMPS 구조 및 실험방법 804.3.1 Ethernet L2 스위치 및 SMPS 구조 804.3.2 SMPS PCB 적층 및 filter구조 834.3.3 SMPS conductive EMI 실험방법 844.3.4 SMPS radiative EMI 실험방법 854.4 실험결과 및 고찰 874.4.1 X-capacitor EMI filter 적용실험 874.4.2 X,Y-capacitor EMI filter 적용실험 90Ⅴ. HDMI cable 체결 시 multimedia 전송신호 및 radiative EMI의 특성 분석 965.1 Set-top 시스템 EMI 발생원인 965.1.1 Set-top box 전원 noise에 의한 EMI 발생 965.1.2 Set-top box oscillator에 의한 EMI 발생 995.1.3 Set-top box T-Flash data 신호선로에서 EMI 발생 1025.2 Set-top box 기술 및 구조 1055.2.1 Set-top box 기술 1055.2.2 Set-top box 구조 1065.2.3 Set-top box HDMI 회로도 및 PCB 1075.3 HDMI 신호 및 EMI 실험 1095.3.1 HDMI 시스템 신호구성 1095.3.2 HDMI 신호특성 실험방법 1105.3.3 Set-top box radiative EMI 실험방법 1115.4 HDMI 신호 및 EMI 실험 결과 및 고찰 1135.4.1 HDMI 신호 및 EMI 실험 절차 1135.4.2 Set-top box와 HDMI 전송신호 실험 1145.4.3 Set-top box와 HDMI cable 전송신호 실험 1195.4.4 Set-top box와 TV를 HDMI cable로 체결 시 radiative EMI 실험 126Ⅵ. 결 론 129참고문헌 131영문초록(Abstract) 140
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