“EMI를 제압하는 로봇와이어하네스 설계 전략”
의료로봇 수술실에서 갑자기 발생한 신호 오류와 같은 치명적인 순간들의 배후에는 하나의 공통된 범인이 있습니다. 바로 전자기 간섭, EMI입니다. 수백, 수천 개의 신호가 이 가느다란 선들을 통해 정확하고 빠르게 전달되어야 하죠. 하지만 우리가 사는 세상은 전자기장으로 가득 차 있습니다. 모터, 전원 공급 장치, 무선 통신, 심지어 다른 케이블에서 발생하는 전자기파들이 끊임없이 신호를 교란합니다. 특히 의료 로봇처럼 밀리터리 단위의 정밀도가 생명과 직결되는 분야에서 EMI는 결코 간과할 수 없는 과제입니다.
EMI는 전도성, 방사성으로 크게 두 가지 형태로 나뉩니다. 전도성 EMI는 전원선이나 케이블을 통해 직접 전달되는 간섭입니다. AC전원선 모터, 가변 주파수 드라이브, 용접 장비 등이 주요 발생 원인입니다. 방사성 EMI는 무선으로 전파되는 간섭을 말하며 근거리 간섭과 케이블 내부의 크로스 토크가 여기에 해당됩니다.
- EMI = Electromagnetic Interference
- 크로스토크 : 한 쌍의 도체에서 흐르는 신호가 인근의 다른 쌍으로 노출되는 현상
※ 로봇 와이어하네스의 EMI노이즈 최소화 전략 4가지를 소개합니다.
1_트위스트 페어 : 1881년의 기술이 여전히 유효한 이유
4_그라운딩 : EMI 전류의 안전한 귀환로 설계
로봇 와이어하네스 EMI 노이즈를 줄이기 위한 방법은 “발생/전달/수신” 세 단계에서 간섭을 끊어내는 방법으로 정리할 수 있습니다.
알렉산더 그레이엄 벨이 1881년 특허를 받은 <트위스트페어> 기술은 140년이 지난 지금도 EMI 대응의 기본이 됩니다. 그 이유는 물리적 원리에 있는데요. 두 개의 평행한 선에 반대 방향으로 전류가 흐를 때, 선 사이의 공간에서 자기장이 더해집니다. 선이 꼬이지 않으면 주변에 0이 아닌 자기장이 형성되고, 이것이 인근 회로에 원치 않는 전압을 유도합니다. 하지만 선을 함께 꼬으면 인접한 반 꼬임마다 자기장이 반대 방향으로 되어 상쇄되는데, 이때 꼬임이 많을수록 자기장 상쇄효과가 커켜 전체 길이에 걸쳐 순 자기장이 0에 가까워지죠. 이 때문에 인근 회로에 유도되는 전압도 거의 0이 됩니다.
트위스트 페어만으로 충분하지 않다면 차폐가 필요합니다. 차폐는 신호 전송 도체를 전도성 물질로 감싸 전자기장을 차단하거나 우회시키는 방법입니다. 가장 강력한 보호를 위해서는 포일 차폐와 브레이드 차폐를 함께 사용하는 것이 좋습니다. 로봇 와이어하네스 케이블 전체를 브레이드와 포일로 이중 보호하고, 각 트위스트페어도 포일로 차폐하여 외부 EMI와 크로스토크를 동시에 차단하는 것입니다.
● 포일 차폐 : 얇은 금속층을 폴리머층으로 보강하여 100% 차폐 커버리지를 만듭니다. 비용이 저렴하지만 케이블 유연성이 다소 감소할 수 있습니다.
● 브레이드 차폐 : 직조된 와이어 메시로 만들어지며, 브레이드 사이 공간으로 인해 약 95% 커버리지를 제공합니다. 포일 차폐보다 전도성이 우수합니다.
물리적 분리 방법은 가장 단순하면서도 효과적인 EMI 노이즈 최소화 방법입니다. 신호 케이블과 전원 케이블은 반드시 별도의 케이블 트레이로 분리해야 하며 불가피하게 교차할 경우, 반드시 90도 각도로 교차하며 가능한 한 많은 간격을 유지하도록 합니다. 또한, 케이블에 루프를 만들지 않아야 합니다. 루프는 안테나처럼 작동하기 때문에 EMI를 더 많이 수신하거나 방출할 수 있습니다.
그라운딩(접지) 전략
접지란? 접지 대상물을 접지 도체로 대지에 연결하여 전류를 대지로 흐르게 하는 것을 말합니다.
“효과적인 EMI 관리 방법은
여러 기법을 통합하는 것!”
적절한 접지는 EMI 관리의 기초가 됩니다. 차폐된 케이블의 드레인 와이어는 반드시 한쪽 끝을 접지해야 하며, 가능한 한 전기적 잡음이 적은 접지점을 선택해야 합니다. 양쪽 끝을 접지하면 접지 루프가 생성되어 오히려 EMI가 증가할 수 있으니 주의합니다. 시스템 수준에서는 스타 접지방식을 사용하는 것이 이상적이며 여러 접지를 하나의 중앙 지점에 연결하여 접지 루프를 방지하고, 선택적 본딩을 통해 각 섹션의 접지를 관리해야 합니다.
차폐된 커넥터로 인터페이스에서 전자기 에너지를 억제하고, 적절한 접지로 고주파 전류를 위한 깨끗한 경로를 제공하며, 공통 모드 초크로 남은 신호를 필터링합니다. 올바른 트위스트 비율, 적절한 차폐, 완벽한 접지, 스마트한 레이아웃 설계가 조화로울 때, 와이어 하네스는 단순한 전선 다발을 넘어 기기의 퀄리티를 보장하는 핵심 자산이 됩니다. 비케이하네스에서는 모든 전략을 통합하여 신뢰할 수 있는 로봇 와이어하네스를 제공합니다.
TEL.+82 031-456-2580
MAIL. bksales00@bkec.co.kr
