절연 — 접지를 끊어야 할 때

한 줄 요약 — 절연은 접지 루프를 끊고 사람을 지킵니다. 신호가 지나갈 길은 남기고 전류가 지나갈 길만 끊는 것이라, 반드시 무언가를 대가로 냅니다.

왜 끊나

이유가 셋인데, 셋 다 이유가 다릅니다.

접지 루프 — 12장이 계속 말한 것

두 장비를 신호선으로 잇고 둘 다 접지에 물리면 고리가 생깁니다 (12-03).

두 접지 사이에 전위차 $V_g$(대개 mV~수 V, 60 Hz)가 있으면, 그 전압이 신호선의 접지 쪽에 걸려 신호와 구분이 안 됩니다.

절연하면 고리가 열려 순환 전류가 0 이 됩니다. 차동 입력차동 입력차동 신호 differential signaling두 선의 차이로 신호를 실어, 두 선에 똑같이 들어온 간섭은 빼서 지워 버리는 방식입니다.자세히 보기 →이 CMRR 로 줄이는 것과 달리, 절연은 경로 자체를 없앱니다.

세 가지 방식

광 절연 (optocoupler)

LED 와 포토트랜지스터를 마주 보게 둡니다.

• 장점: 싸다, DC 부터 됨, 절연 내압이 높다 (2.5~7.5 kV)
• 단점: 느리다, CTR 이 온도·수명에 따라 변한다, 전류를 먹는다

⚠️ CTR(current transfer ratio) 은 LED 전류 대비 출력 전류의 비인데, 초기 편차가 ±50 % 이고 수명에 따라 절반으로 줄어듭니다(LED 열화). 그래서 아날로그 신호를 옵토로 직접 보내면 안 됩니다 — 디지털이나 되먹임 구조로 씁니다.

용량성 절연 (capacitive)

작은 커패시터를 사이에 두고 고주파로 변조해 보냅니다.

• 장점: 빠르다 (150 Mbps), 전류를 적게 먹는다, 수명 열화가 없다
• 단점: 공통모드 과도(CMTI) 에 약할 수 있다, 절연 내압이 광보다 낮은 편

자기 절연 (magnetic)

칩 안의 작은 변압기(코일)로 보냅니다.

• 장점: 빠르다, CMTI 가 아주 높다 (100 kV/µs)
• 단점: 외부 자기장에 영향, 비싸다

아날로그를 그대로 보내는 절연 증폭기(AMC1301 등)는 안쪽에서 ΔΣ 변조 → 절연 장벽 → 바깥에서 복조를 합니다. 즉 디지털로 바꿔 보냅니다.

★ 절연하면 전원은 어떻게 하나

여기가 절연 설계에서 가장 자주 막히는 곳입니다.

신호를 절연했는데 전원을 공유하면 접지가 다시 이어져 아무 소용이 없습니다.

⚠️ 절연 DC-DC 의 스위칭 잡음이 절연으로 얻은 것을 도로 까먹는 일이 흔합니다. 100 kHz~2 MHz 의 리플이 절연 장벽의 기생 용량(수 pF)을 타고 넘어옵니다. 그래서 저잡음 절연 전원은 스펙에 Y-capacitance 를 적어 둡니다 — 작을수록 좋습니다.

⚖️ 트레이드오프

1. 절연 = 대역폭·정확도·전력의 대가

절연 증폭기의 정확도는 일반 OP앰프보다 두 자릿수 나쁩니다. 그래서 정확도가 필요한 증폭은 절연 앞에서 하고, 절연은 이미 커진 신호를 넘기는 데만 씁니다.

2. 어디서 끊나

★ 디지털로 바꾼 뒤에 끊는 것이 거의 항상 낫습니다. 아날로그를 넘기면 절연 부품의 옵셋·게인 오차가 신호에 그대로 얹히지만, 디지털은 비트가 넘어갈 뿐이라 오차가 0 입니다.

이 자료의 전극 프론트엔드가 그 구조입니다 (18-02).

3. 누설 전류 — 안전의 핵심

절연 장벽에도 기생 용량이 있어 교류 누설이 흐릅니다.

220 V·60 Hz, 장벽 용량 10 pF 이면

CF 등급은 10 µA 입니다. 위 계산의 12배밖에 여유가 없고, 케이블 용량까지 더하면 금세 넘습니다. 그래서 의료 기기는 장벽 용량 자체를 스펙으로 봅니다.

⚠️ 이 문서는 원리를 설명할 뿐, 의료기기 안전 설계는 규격과 인증 기관을 따라야 합니다. IEC 60601-1 의 연면거리·공간거리·이중 절연 요구는 여기서 다루지 않습니다.

🔌 실제 쓰임새

절연이 필요한지 판단하기

1. 사람이 회로에 전기적으로 닿는가? → 필요합니다. 규격을 따르세요.
2. 두 접지의 전위차가 있는가? (다른 콘센트, 긴 케이블, 모터가 있는 장비) → 대개 필요합니다.
3. 측정점이 고전압에 떠 있는가? (배터리 스택 상단, 하이사이드 전류) → 필요합니다.
4. 셋 다 아니라면 → 차동 입력으로 충분합니다. 절연은 비싸고 정확도를 깎습니다.

기판 배치

• 절연 장벽 아래로 구리를 하나도 두지 않습니다 — 접지면도, 배선도.
• 장벽을 가로지르는 배선은 최단으로 직각 — 나란히 가면 용량이 늘어납니다.
• 절연 폭은 규격이 정합니다 (연면거리·공간거리).

안 되는 것

절연은 EMI 를 막지 않습니다. 두 쪽 모두 각자 EMI 를 받고, 오히려 절연된 쪽은 접지가 떠 있어 더 취약할 수도 있습니다. 차폐와 필터는 따로 필요합니다 (12-06).

⚠️ 이상과 실제의 차이

시뮬레이션으로 확인

# examples/12-noise-si/ground-loop.yaml
meta:
  name: 접지 루프와 절연 장벽
  lesson: docs/12-noise-si/10-isolation.md
  note: |
    두 접지 사이의 60 Hz 전위차(VG 1 V)가 절연된 쪽으로 얼마나
    넘어오는지 봅니다. RTN 이 절연된 쪽의 접지입니다.

    RISO 를 밀어 보세요 — 이것이 절연 장벽의 저항입니다.
      1 Ω    접지가 이어진 상태. RTN 이 VG 를 그대로 받습니다 (0 dB).
      1 GΩ   절연된 상태. 60 Hz 에서 약 −48 dB.

    ★ 완전히 0 이 되지는 않습니다. 저항을 아무리 키워도 기생 용량
    CISO(10 pF)가 남아 있고, 60 Hz 에서 그 임피던스는 265 MΩ 입니다.
    **저항 경로는 끊을 수 있어도 용량 경로는 못 끊습니다** — 그것이
    누설 전류이고, 의료기기에서 µA 단위로 관리하는 대상입니다.

    주파수를 올려 보면 더 잘 넘어옵니다 (Z_C = 1/2πfC).
components:
  - {ref: VG, type: vac, value: 1, label: 두 접지의 전위차 (60 Hz)}
  - {ref: RISO, type: r, value: 1, label: 절연 장벽 — 밀어 보세요, sweep: {min: 1, max: 1G}}
  - {ref: CISO, type: c, value: 10p, label: 장벽 기생 용량 — 이건 못 없앱니다}
  - {ref: RTIE, type: r, value: 1MEG, label: 절연된 쪽이 국부 접지에 남긴 경로}
nets:
  FAR: [VG.p, RISO.1, CISO.1]
  RTN: [RISO.2, CISO.2, RTIE.1]
  GND: [VG.n, RTIE.2]
analyses:
  - {type: ac, sweep: dec, points: 20, fstart: 10, fstop: 100k}
expect:
  # RISO = 1 Ω — 접지가 이어진 상태. 1 MΩ 대 1 Ω 이라 거의 그대로 실립니다.
  - {measure: gain_db, node: RTN, at: 60, analysis: ac, value: 0, tol: 0.5}

돌려 보면 RISO 가 1 Ω 일 때 RTN(절연된 쪽 접지)이 접지 잡음을 그대로 받습니다 — 0 dB. 신호가 1 mV 라면 잡음이 1 V 이니 SNR 이 −60 dB 입니다.

RISO 를 1 GΩ 로 밀면 −48 dB 로 떨어집니다. 250배 좋아졌습니다.

그런데 0 이 되지는 않습니다. 남은 것은 CISO 10 pF 를 타고 넘어오는 성분입니다.

1 GΩ 를 아무리 키워도 이 265 MΩ 가 병렬로 남아 있어 더는 안 좋아집니다. 주파수를 올리면 오히려 더 넘어옵니다.

이것이 절연의 본질입니다. 저항 경로는 끊을 수 있어도 용량 경로는 못 끊습니다. 그래서 규격이 누설 전류를 µA 단위로 관리하고, 저잡음 절연 전원이 Y-capacitance 를 스펙에 적습니다.

연습문제

문제 1. 심전도 장비(CF형, 누설 10 µA)를 설계합니다. 220 V 60 Hz 환경에서 허용되는 최대 장벽 용량은?

문제 2. 절연 증폭기(게인 오차 0.5 %)와 절연 ADC(디지털 절연) 중 어느 것을 쓰겠습니까? 16비트 정확도가 필요합니다.

exercises/12-10-isolation-choice.yaml

전극 → 저잡음 증폭 → 16비트 ADC → [절연 장벽: SPI] → MCU
                     └── 절연된 쪽, 절연 전원 필요 ──┘

문제 3. 절연했는데 잡음이 오히려 늘었습니다. 무엇을 의심하겠습니까?

exercises/12-10-isolation-noise.yaml

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