의료 기기 애플리케이션을 위한 낮은 EMI의 절연 성능
전자파 간섭은 전자장비에서 잘못된 데이터를 불러오기도 하지만, 심하게는 기기간의 작동을 방해하는 요소가 되기도 한다. EMI 발생원은 무수히 많은데, 특히 의료기기에서의 전자파 간섭에 의한 전자장비의 오류는 사람의 생명과 관계되기에 EMI에 대한 대처가 중요하다. 본고에서는 의료 기기 애플리케이션을 위한 낮은 EMI의 절연 성능에 대해서 알아보기도 한다

돈 알파노(Don Alfano) / 실리콘 래버러토리스, 절연 제품 사업부 애플리케이션 엔지니어링 총괄

의료 환경의 EMI
전자파 간섭(EMI)이란 전자 장비의 정상적인 작동을 방해하거나, 장비의 성능을 떨어뜨리거나 제한하는 모든 전자기 교란을 말한다. 유감스럽게도 EMI 발생원은 수없이 많고 발생하는 교란 특성의 조합도 거의 무한하다. 이런 이유로 업계는 EMI를 특성에 따라 몇 가지 유형으로 분류했는데 (표 1)에는 이러한 EMI의 종류가 요약되어 있다.
의료 환경은 전기적 잡음이 많다. 통신 장치 및 현장 장비에서 발생하는 RF 간섭(RFI)으로 50V/m 이상의 RF 장이 생성될 수 있다. 또한 어떤 종류의 의료 기기는 진단 또는 치료(예: MRI 시스템)에 RF 에너지를 사용하거나 무선 통신(예: 원격 의료 감시 시스템)에 RF 에너지를 사용한다. EMI 발생원이 다양하고 강력하다는 점에서 의료 환경의 EMI 관리는 어려운 문제일 수 있다.

의료 기기 애플리케이션의 EMI 영향
EMI는 의료 기기 오작동을 일으켜 끔찍한 사고를 초래할 수 있다. 예를 들어 EMI로 유도되는 이상 신호 때문에 이동식 생명 유지 시스템에 오작동이 발생하고, 환자 모니터링 장비의 측정값 오류가 발생하며, 환자에게 투여할 정맥 주사약의 양이 달라질 수도 있다.
EMI는 특히 심전도기(ECG)처럼 진폭이 작은 신호를 수집하는 의료 기기에서 문제가 되는데, 이 경우 환자로부터 수집되는 신호는 400μV~5mVpk범위이고 코너 주파수 0.05 및 100Hz에서 3dB이 발생한다. 갈수록 고주파를 지향하는 추세임을 감안할 때, 저전력 의료 기기는 에너지 레벨이 높을 때 광범위한 대역폭의 RF 잡음을 방출하여 EMI 관리가 어려워질 것이다.
디자인 측면에서 보면 EMI 효과는 EMI 내성이 강하고 방출량이 적은 시스템 회로를 디자인하는 방식으로 최소화할 수 있다. 전통적인 방법으로는 적절한 인쇄 회로 기판(PCB) 레이아웃과 접지 및 트레이스 길이 제한 등이 있다. PCB의 전자 부품 배치를 최적화해야 하고, 시스템 엔클로저 디자인, 케이블 차폐 및 필터링도 적절해야 한다. 무엇보다, 임계 신호 경로에는 EMI에 강한 반도체 부품(예: 내성은 강하고 방출량은 적은 부품)을 사용해야 한다. 이는 혼성 신호 또는 무선 데이터 전송 애플리케이션과 같이 시스템 내부에 EMI가 발생하는 경우에 특히 유효한 방법이다.

의료 시스템의 절연
전자 의료 기기가 국지적인 전자기장 및 기타 현상으로 발생하는 교란에 대해 내성을 갖도록 하기 위해 (표 2)의 IEC 60601-1-2에 정한 테스트 한도를 적용하여 절연기가 다양한 IEC-61000 표준을 준수하는지에 대한 안전도 테스트를 수행한다. 예를 들어 정전기 방전(ESD)은 IEC 61000-4-2를 준수하는지 테스트하고 IEC 60101-1-2에 규정된 테스트 한도를 사용한다. RF 방출 및 전력선 스파크는 자동차 규정 J1750에 포함된 CISPR11 테스트 방법론에 나와 있는 방법으로 테스트한다.
CISPR은 테스트 한도를 정하지 않으며 테스트 방법 표준일 뿐이다. 방출량 및 전력선 민감도의 한도는 IEC 60601-1-2에 나와 있다. 이들 테스트의 통과 기준은 매우 엄격하다. 시스템에는 어떠한 부품 결함, 파라미터 변화, 구성 오류 또는 가양성(False Positive)도 있어서는 안 된다. 테스트 대상 시스템은 외부 전자기장에 대한 내성을 갖추는 것 외에도 유의미한 수준의 자체 방사 EMI 또는 전도 EMI를 방출해서는 안 된다.
여러 기관에서 발표하는 규정에는 전도 및 방사 EMI 한도가 명시되어 있다. 가장 널리 사용되는 규정 중 하나가 FCC Part 15인데 이는 가정이나 그 부근에서 사용하는 회로 어셈블리에 관한 규정이다. 이 규정 준수 테스트는 지표면에서 약 5m 위에 설치된 10m 길이의 안테나를 사용하여 개방된 장소에서 실시한다. 또 다른 규정인 SAEJ1752-3은 테스트 방법이 보다 IC 중심적이고 실제 애플리케이션 환경에서 작동하면서 절연기 자체에서 방출되는 방사 EMI만 측정하도록 설계된 차폐된 작은 회로 보드(즉, CISPR11 테스트 방법에 따른 `TEM 셀`)에서 IC 탑재를 테스트하도록 권장한다.

EMI에 강한 실리콘 절연기
많은 의료 기기가 전기적 절연(Galvanic Isolation)을 통합하여 위험한 전압으로부터 환자와 장비를 보호하고, 접지 전압 도메인 간에 신호의 레벨을 변이시키며, 매우 민감한 회로 영역에서 발생하는 접지 잡음을 완화한다.
전자 의료 기기의 신호 절연에 변압기 및/또는 광커플러를 사용하는 경우가 많은데 어느 쪽도 최적의 방법은 아니다. 변압기는 EMI를 발생시키며 외부 자기장에 의한 신호 손상에 매우 취약하다. 광커플러는 EMI 방출이 적고 내성이 강한 이점이 있지만 안정성이 떨어지고 동상 과도 내성(CMRI: Common-Mode Transient Immunity)이 낮다.
특히 CMTI는 절연기의 데이터 전송 무결성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 변압기 및 광커플러의 대안으로 실리콘 절연기가 있는데 이는 고급 프로세스 기술을 활용하여 EMI 특성을 대폭 개선할 뿐 아니라 성능 및 안정성도 크게 끌어올린다. (그림 1)에서처럼 실리콘 절연기는 프로세스 산화층(Process Oxide) 또는 기타 기본 프로세스 물질(Native Process Material)을 사용하여 반도체 다이에 바로 절연 디바이스를 조립한다. 보다 성공적인 실리콘 절연기 공급업체는 변압기 또는 커패시터 중 하나를 사용하여 절연체(절연 장벽 `Isolation Barrier`이라고 함)를 구현한다.
(그림 2A)의 실리콘 절연기 작동 방식은 들어오는 각 디지털 엣지의 논리 상태를 인코딩하고, 이 데이터를 절연 변압기 T1을 통해 전송한 다음 이 데이터를 출력 래치에 디코딩하여 저장하는 것이다. (그림 2B)에는 CISPR 테스트 방법 표준을 사용하여 측정한, 이 디바이스의 방사 EMI 응답이 나와 있다.
그림의 측정 결과는 모든 절연기 입력이 로우(Low)이고 90도 회전한 상태에서 얻은 것이다. 100~300MHz 범위에서 디바이스의 EMI 공진 피크(Resonant Peak)는 +20dB이나 된다. 이러한 공진 피크가 나타나는 정확한 원인은 알려져 있지 않지만 T1 구조의 크기, 인덕턴스 및 Q가 부분적으로나마 영향을 미치는 것으로 추측된다.
(그림 3A)의 실리콘 절연기는 절연기 입력이 로직 하이(Logic-High)일 때 차동 용량성 절연 장벽에 반송파를 전송하는 방식으로 작동한다. 충분한 반송 에너지가 감지되면 수신기가 출력에 로직 하이를 확정한다. 변압기 설계와 달리, 용량성 절연 경로에는 들어오는 EMI 주파수를 선별적으로 증폭시키는 Q에 의한 공진 피크가 발생하지 않는다.
(그림 3B)에는 변압기 기반 절연기 테스트에 사용한 것과 동일한 방법으로 측정한, 이 디바이스의 방사 EMI 응답이 나와 있다. 이 디바이스는 변압기 구현의 경우와 비교할 때 방사 EMI 응답 패턴이 납작하고 진폭이 낮다. 결과적으로 이 디바이스는 6채널 차동 용량성 절연기를 사용하고, 내부 송신기 방출을 극대화하기 위해 모든 입력을 하이(High)로 고정한 테스트에서 FCC Class B Part 15 기준을 통과했다.
(그림 4)는 외부 RF 장 주파수가 DC에서 10GHz로 급변하는 동안 변압기 기반 실리콘 절연기와 커패시터 기반 실리콘 절연기의 출력 전압을 모니터링하여 전기장 내성을 비교한 것이다. 변압기 및 커패시터 절연기 모두 입력을 접지하여 로우(Low) 출력을 계속 유지했다.
용량성 실리콘 절연기 출력(녹색 선)은 주파수 범위 DC~ 10GHz에서 내내 로우 상태를 유지하는 반면 변압기 기반 절연기 출력은 1~2GHz 사이에서 하이(손상됨)가 된다. 용량성 절연기가 차동 용량성 절연 경로와 높은 수신기 선택도의 결합으로 로컬 공통 모드 장(Local Common-Mode Field)을 제거하기 때문에 EMI 내성이 강하다. 즉, 내부 차동 신호 경로 각 면의 신호 레벨 때문에 수신기가 매우 좁은 주파수 범위 내에 있는 차동 입력 전압만 증폭시키고 나머지 입력은 모두 거부하는