공통-모드 노이즈와 정상-모드 노이즈

출처 : http://www.upskorea.com/

공통-모드 노이즈와 정상-모드 노이즈

컴퓨터의 전원 공급장치에 대한 AC 전원 입력의 노이즈는 컴퓨터나 다른 장비에 장애를 발생시킬 수 있습니다. 이러한 노이즈 문제에 대한 해결책으로써 UPS를 설치합니다.

1. 공통-모드 노이즈와 정상-모드 노이즈

단순한 AC 배전 시스템의 경우 컴퓨터를 벽면 소켓에 연결하는 코드에는 세 개의 와이어가 있습니다. 액티브 또는 라이브 와이어(핫 와이어라고도 함), 뉴트럴 와이어, 그라운드 와이어가 그것입니다. 전원은 액티브 와이어와 뉴트럴 와이어를 통해 부하로 전달되며, 그라운드 와이어는 안전용으로 사용됩니다.

전원 공급장치와 관련하여 노이즈는 출력에서 나타나는 불필요한 임펄스 전압입니다. 출력에서의 노이즈는 입력에서의 노이즈에 의해 발생되며, 공통-모드나 정상-모드로서 나타날 수 있습니다. ｢그림 1｣은 공통-모드 노이즈와 정상-모드 노이즈가 전선에서 어떻게 나타나는지를 보여줍니다.

｢그림 1｣ 정상-모드 노이즈와 공통-모드 노이즈

공통-모드 노이즈는 액티브 와이어와 뉴트럴 와이어 모두에서 나타나며, 그라운드에 대해 측정됩니다. 공통(common)이라는 용어는 액티브 와이어와 뉴트럴 와이어 모두에 동일한 노이즈가 나타남을 이르는 말입니다. 그러나 부정확하게 공통-모드 노이즈는 뉴트럴 와이어에만 있는 것으로 이해됩니다. 공통-모드 노이즈는 낙뢰, 회로 차단기의 가동, 부실한 접지에 의해 야기될 수 있습니다. 정상-모드 노이즈로부터의 전원이 뉴트럴 와이어로 우회할 때 서지 보호기의 사용 역시 공통-모드 노이즈를 만듭니다.

액티브 와이어와 뉴트럴 와이어 사이에서 측정될 수 있는 노이즈를 정상-모드 노이즈라고 하며, 때때로 차동-모드(differential-mode)나 횡-모드(transverse-mode) 노이즈라고도 부릅니다. 대부분의 정상-모드 노이즈는 대형 부하의 스위치 ON, OFF에 의해 발생되며, 특히 대형 모터와 역률 보상 콘덴서에 의해 발생됩니다.

2. 컴퓨터 전원 공급장치와 노이즈의 관계

컴퓨터 내의 회로에 의하여 임펄스 전압이 발생할 경우 노이즈는 컴퓨터 하드웨어에 손상을 가하고 데이터 처리를 불가능하도록 작용합니다. 최근에 나온 모든 컴퓨터는 SMPS (Switch-Mode Power Supply)에 의해 전원을 공급받고 있으나 SMPS는 임펄스 전압이 발생할 수 있는 유도 경로를 제공함으로써 컴퓨터의 손상 가능성이 많습니다.

｢그림 2｣는 SMPS의 필수적인 기능 블록으로 보여주는 회로도입니다.

｢그림 2｣ SMPS의 회로도

3. 정상-모드 노이즈와 SMPS

정상-모드 노이즈는 라인에서 뉴트럴로 전압이 발생됩니다. 정상-모드 노이즈의 전압(혹은 에너지)이 높을 경우 SMPS가 먼저 손상된 다음 컴퓨터 회로가 손상될 수 있습니다. 정류기 다이오드의 p-n 접합은 과도한 역바이어스(reversed biasing)로 인해 손상될 수 있습니다. 노이즈가 반대 극성(polarity)에 있거나 동작 한도를 초과할 경우 콘덴서는 하락할 것입니다. 그리고 노이즈 피크가 과도하게 높을 경우 변압기의 절연이 고장날 수 있습니다.

그러나 정류기 다이오드, 필터 콘덴서, 변압기와 같은 구성 요소가 손상되려면 높은 전압이 필요합니다. 따라서 정상-모드 노이즈는 컴퓨터 장비에 대한 위험 요소가 될 수 없으며, 컴퓨터 하드웨어가 손상되기 전에 SMPS가 먼저 손상될 가능성이 훨씬 더 높습니다. 그럼에도 불구하고 정상-모드 노이즈가 컴퓨터 하드웨어를 손상시킬 가능성을 전혀 배제할 수 없습니다.

4. 공통-모드 노이즈와 SMPS

공통-모드 노이즈는 보다 더 큰 위험 요소로 작용합니다. 왜냐하면 공통-모드 노이즈는 뉴트럴로부터 그라운드로, 혹은 액티브로부터 그라운드로 전압이 발생되기 때문입니다. 흐르는 전류에 대한 하나의 경로가 존재하고, SMPS를 통하는 경로가 두 개 있을 경우 손상이 발생합니다.

공통-모드 노이즈는 고주파 변압기, 혹은 와류 또는 부유 용량을 가진 소자를 따라 발생될 수 있습니다. 먼저 공통-모드 노이즈는 고주파 임펄스로 구성되므로 노이즈가 연결 콘덴서(coupling capacitor)와 같은 고주파 변압기를 만나고 방해받지 않고 넘어갈 가능성이 높습니다. 두 번째로 SMPS 내에 부유 정전 용량 경로가 더 많이 존재할 수 있습니다. 왜냐하면 물리적인 크기에서 더 작고, 다른 종류의 전원 공급장치에 비해 더 조밀하게 제작되기 때문입니다.

공통-모드 노이즈가 SMPS를 통해 경로를 발견할 경우 노이즈 전압은 컴퓨터 기기의 전압-공급단자와 로직 그라운드(logic ground) 사이에서 나타날 가능성이 있습니다. 이 노이즈 전압이 반도체의 최대 전압 사양을 초과할 경우 노이즈로부터의 전압은 로직 하드웨어를 통해 그라운드로 넘어갈 것이며, 전압이 발생될 것입니다. 이로 인해 신뢰성이 줄어들고, 데이터 처리가 방해받고 영구적인 손상이 발생할 수 있습니다.

반도체 IC(Integrated Circuit)는 저전압에만 견딜 수 있으므로 IC는 수 만분의 1 암페어의 전류만을 견딜 수 있습니다. 따라서 공통-모드 노이즈가 조금만 높아도 치명적인 손상을 받을 수 있습니다.

5. 정상-모드 노이즈에 대한 해결책

서지 억제기와 보호기를 사용하여 정상-모드 노이즈에 의해 발생한 장애 문제를 처리할 수 있습니다. 이들 기기를 전원 아울렛에 있는 액티브 와이어와 뉴트럴 와이어 사이에 연결하십시오. 대부분의 서지 억제기에는 전압을 억제하는 MOV(Metal Oxide Varistor)라는 디바이스가 포함되어 있습니다. MOV의 저항 값은 단자를 통과하는 전압에 의해 결정됩니다. MOV를 통과하는 전압이 높을 경우 이 높은 전압은 지정된 전압으로 고정되고 전류는 MOV를 통해 우회되고 민감한 컴퓨터 장비로부터 벗어나게 됩니다. ｢그림 3｣을 참고하십시오. 전류는 MOV에서 열로서 발열합니다.

그러나 서지 억제기는 다른 문제를 야기할 수 있습니다(｢그림 3｣ 참조). 뉴트럴 와이어로 우회되는 전류는 공통-모드 노이즈를 만들 수 있습니다. 공통-모드 노이즈의 피크 전압은 도선의 임피던스, 원래 전류의 양, 서지 억제기의 전원 발생 용량에 의존합니다.

｢그림 3｣ 서지 억제기에 의해 만들어진 공통-모드 노이드

｢그림 3｣에 있는 서지 억제기는 가장 단순한 형태로 되어 있습니다. 시장에는 노이즈 전류와 에너지를 위와 유사한 방식으로 우회시키는 복잡한 복합형 서지 억제기도 있습니다. 복합형 서지 억제기에는 유도자(초크), 콘덴서, 제너 다이오드와 같은 필터링 및 클램핑(clamping) 요소들이 추가적으로 포함되어 있습니다. 일부 구성에서 억제기의 작동에 의해 만들어진 공통-모드 노이즈를 줄이기 위해 뉴트럴 와이어와 그라운드 와이어를 통해 MOV와 필터를 연결할 수 있습니다. 공통-모드 노이즈가 만들어질 수 있고, 이는 컴퓨터 장비에 더 큰 위협 요인으로 작용할 수 있습니다. 따라서 서지 억제기와 공통-모드 노이즈 보호 장치를 함께 사용해야 합니다.

6. 공통-모드 노이즈에 대해 해결책

공통-모드 노이즈는 정상-모드 노이즈에 비해 더 큰 위험 요인이 됩니다. 왜냐하면 노이즈 에너지를 방산하기 위해 다른 경로가 주어지기 때문입니다. 잠재적으로 손상을 가하는 공통-모드 노이즈는 정상-모드 임펄스에 비해 양에 있어 훨씬 더 적을 수 있습니다.

다행히 공통-모드 노이즈를 제거할 수 있는 제품이 여러 가지 나와 있습니다. 공통-모드 노이즈와 정상-모드 노이즈를 제거하는 가장 좋은 방법은 진정한 온라인 UPS를 사용하는 것입니다. 진정한 온라인 UPS는 Double Conversion 기술을 사용하기 때문에 UPS 출력은 입력에서 나타날 수 있는 모든 노이즈로부터 잘 분리됩니다.

또한 변압기는 공통-모드 노이즈를 줄이거나 줄이기 위해 매우 효과적인 수단일 수 있습니다(｢그림 4｣ 참조). 변압기는 본래 공통-모드 노이즈를 필터하고, 권선(winding)들 사이의 패러디 차폐(Faraday shield)는 고주파 정상-모드 노이즈를 필터합니다. 변압기를 사용할 때의 단점은 크고, 무겁고, 시끄럽고, 비싸다는 것입니다. 그리고 진정한 온라인 UPS가 사용되고 있을 경우 불필요하다는 것입니다.

｢그림 4｣ 공통-모드 노이즈 감쇠기

모든 변압기의 권선들 사이에 부유 정전 용량(권선간 정전 용량: inter-winding capacitance이라고도 함)이 존재할 수 있습니다. 고주파 노이즈가 두 번째 권선을 통해 결합할 수 있는 것은 이 권선간 정전 용량에 의해서입니다. 그러나 접지된 차폐가 첫 번째 권선과 두 번째 권선을 분리하기 위해 사용될 때 권선간 정전 용량은 대폭 감소합니다. 이것은 결합 경로의 임피던스(저항)를 효과적으로 증가시키며, 이렇게 됨으로써 두 번째 권선을 통해 결합될 수 있는 고주파 노이즈의 양을 대폭 줄일 수 있습니다. 일반적으로 차폐/절연 변압기는 약 -60dB의 감쇠율(1000대 1의 비율)을 보일 것입니다. 이것은 두 번째 권선에 1000V 임펄스가 발생합니다.

컴퓨터 장비의 보호와 관련하여 UPS는 다른 솔루션에 비해 명확한 장점을 가지고 있습니다. 왜냐하면 UPS는 정전 중에도 부하 장비에 전원을 공급할 수 있기 때문입니다. 또한 모든 UPS 구성은 서지 보호 기능을 지원하며, 일부 구성은 전원 보호 장치를 내장하고 있음으로 인해 추가 보호 장비를 필요로 하지 않습니다. 보다 더 엄밀히 말해서 진정한 온라인 UPS 구성은 다른 구성들보다 더 효과적입니다. 왜냐하면 부하로 공급되기 전에 전원이 지속적으로 보호되기 때문입니다.

7. 보호 장치의 효과성

노이즈 감쇠 성능과 시장에 나와 있는 전원 보호 솔루션의 효과성을 비교하기 위해 고객들은 제조업체가 제공하는 상품의 성능 사양을 이해하고 판단할 수 있어야 합니다. 이와 관련하여 두 가지 중요한 용어가 있습니다.

첫 번째 것은 CMNR(Common-Mode Noise Rejection)입니다. 이는 공통-모드 노이즈를 감쇠하는 장치의 능력을 측정합니다. CMNR을 구하려면 『입력 공통-모드 노이즈로 인한 정상-모드 노이즈 출력 크기』를 『인입 공통-모드 노이즈의 크기』로 나누어야 합니다. 이에 대한 공식은 아래와 같습니다.

          입력 공통-모드 노이즈로 인한 정상-모드 노이즈 출력 크기

CMNR 〓 ──────────────────────────────────

인입 공통-모드 노이즈의 크기

[그림 5｣는 CMNR을 설명한 것입니다. ｢그림 5｣에는 임의의 블랙박스가 있습니다. 이 블랙박스는 공통-모드 노이즈를 줄일 수 있습니다. 이 블랙박스 안에 무엇이 들어 있는 지는 중요하지 않습니다. 아마도 간단한 변압기나 복잡한 UPS일 것입니다. 어떻든 간에 이해해야 하는 것은 공통-모드 노이즈가 보다 덜 유해한 정상-모드 노이즈로 변환되고, 그 크기도 줄어든다는 것입니다.

｢그림 5｣ CMNR

두 번째 용어는 NMNR(Normal-Mode Noise Rejection)입니다. 이를 TMNR (Transverse-Mode Noise Reduction)이라고도 합니다. NMNR 값은 정상-모드 노이즈를 제거하는 장치의 능력을 설명합니다. NMNR은 『정상-모드 노이즈 출력 크기』를 『정상-모드 노이즈 입력 크기』로 나눈 것이 됩니다. 이에 대한 공식은 아래와 같습니다.

       정상-모드 노이즈 출력 크기

NMNR 〓 ───────────────────

       정상-모드 노이즈 입력 크기

｢그림 6｣은 NMNR 값의 측정 방법을 설명합니다. 여기서도 블랙박스 안에 무엇이 있는지 중요하지 않습니다.

｢그림 6｣ NMNR

CMNR과 NMNR은 둘 다 주파수 함수입니다. 따라서 변압기, 필터, UPS의 노이즈 감소 용량을 완전히 알려면 감쇠대 주파수 플롯(plot of attenuation versus frequency)이 필수적입니다. 대부분의 장비는 단일 주파수로 명시되며, 일반적으로 이 상태에서의 감쇠율이 최고로 좋습니다.

8. 시스템간 그라운딩 노이즈

시스템간 그라운딩(inter-system grounding) 노이즈는 컴퓨터 시스템 내 종류가 다른 기기들을 상호 연결하는 그라운드 와이어들 사이에 존재할 수 있습니다. 일부 노이즈는 데이터 처리를 방해할 수 있으며, 심지어 컴퓨터 하드웨어에 손상을 가하는 원인이 될 수 있습니다. 일반적으로 시스템간 그라운딩 노이즈가 공통-모드 노이즈와 동일하다는 틀린 주장이 제기되기도 합니다. 절연 변압기, 라인 보호 장치, 필터를 사용함으로써 시스템간 그라운딩 문제를 제어할 수 있다는 주장은 틀린 것입니다. 왜냐하면 전기 코드의 안정성을 이유로 컴퓨터 시스템 요소들은 접지로 연결되어야 하기 때문입니다.