노이즈 억제 필터 가이드

노이즈 대책의 기초 [4강] 칩 페라이트 비즈

06/14/2011

이 글과 다음 글에서는 일반적인 노이즈 억제 구성 요소에 대해 설명합니다. 첫 번째 구성 요소는 칩 페라이트 비드입니다. 이 비드는 표면 실장(SMD)을 지원하는 칩 모양으로 제작된 페라이트 비드 인덕터입니다.

<페라이트 비드는 페라이트 구슬에 납을 통과시킨 구슬입니다.

납형 페라이트 비드 인덕터의 모양을 예로 들면 그림 1에 나와 있습니다. 이 구조는 단순한 구조로, 페라이트에 의해 형성된 비드에 리드가 통과된 모양입니다. 이 인덕터는 일반 코일처럼 리드가 감겨 있지 않지만, 리드로 전류가 흐르면 페라이트 비드 내부에 자속이 생성됩니다. 결과적으로 페라이트 비드는 인덕터 역할을 합니다. 또한 여기에 사용되는 페라이트는 고주파에서 손실이 큰 재료로 만들어져 고주파 범위에서 전류의 에너지가 페라이트에서 손실로 손실되어 노이즈를 효과적으로 흡수할 수 있습니다.

<칩 페라이트 비드는 레이어드 인덕터 구조로 구성됩니다.

칩 페라이트 비드는 이러한 페라이트 비드 인덕터를 칩으로 제작하여 만드는데, 그림 2는 칩 페라이트 비드의 일반적인 구조를 보여줍니다. 원시 페라이트 시트의 층 사이에 코일 패턴이 형성되고 집적 및 소성 과정을 거쳐 3차원 코일 구조가 만들어집니다.

페라이트 비드 인덕터를 칩으로 제작하고 내부에 코일 구조를 채택함으로써 단순히 리드가 통과하는 리드형 페라이트 비드 인덕터보다 더 높은 임피던스를 달성할 수 있습니다. (실제로 일부 칩 페라이트 비드는 비드에 리드만 통과합니다.) 이 구조는 기본적으로 다층형 칩 인덕터와 동일하지만, 사용된 페라이트 소재가 노이즈 억제에 더 적합하다는 점이 인덕터와의 차이점입니다.

그림 3은 칩 페라이트 비드의 임피던스 주파수 특성의 예를 보여줍니다. 관련된 기본 원리는 다음과 같습니다: 인덕터의 경우처럼 주파수가 높아질수록 임피던스가 비례하여 증가하므로 이러한 비드를 회로에 직렬로 연결하면 저역 통과 필터로 작동합니다. 일반 인덕터의 경우 임피던스(Z) 값 중 가장 중요한 특성은 리액턴스 성분(X)입니다. 반면 칩 페라이트 비드는 고주파수에서 손실이 큰 페라이트 소재를 사용하기 때문에 고주파수 범위의 주요 특성은 저항 성분(R)입니다. 리액턴스 성분은 손실을 동반하지 않지만 저항 성분은 손실을 동반합니다. 즉, 일반 인덕터에 비해 칩 페라이트 비드는 노이즈 에너지를 흡수하는 특성이 더 우수하여 더 높은 노이즈 억제 효과를 제공합니다.

<임피던스 곡선은 사용 목적에 맞게 선택할 수 있습니다.

칩 페라이트 비드는 통상적으로 100MHz 주파수에서 임피던스 값으로 표준화되어 왔습니다. 하지만 동일한 임피던스 값을 가진 다양한 종류의 제품이 출시되고 있습니다. 이는 임피던스 곡선의 선명도를 선택할 수 있도록 하기 위한 목적입니다.

그림 4는 곡선 변화의 예를 보여줍니다. BLM18AG601SN1과 BLM18BD601SN1은 모두 100MHz에서 임피던스 값이 600Ω인 칩 페라이트 비드이지만 그림 4를 보면 BLM18BD601SN1이 더 날카로운 임피던스 곡선을 가지고 있는 반면 BLM18AG601SN1은 곡선이 더 부드럽게 상승하는 것을 볼 수 있습니다.

임피던스 곡선이 완만하게 상승하는 유형은 낮은 주파수 레벨에서 임피던스가 증가하기 시작하므로 매우 낮은 주파수부터 높은 주파수까지 넓은 주파수 대역에 걸쳐 노이즈를 억제할 수 있습니다. 그러나 신호 주파수가 상대적으로 높으면 이 주파수 역시 감쇠될 수 있습니다. 반면 임피던스 곡선이 급격히 상승하는 타입은 고주파수 범위에서만 임피던스가 증가하기 때문에 비교적 높은 주파수의 신호를 사용하더라도 신호에 영향을 주지 않고 노이즈를 억제할 수 있습니다. 따라서 칩 페라이트 비드를 선택할 때 신호 주파수와 억제할 노이즈의 주파수를 고려하는 것이 중요합니다.

<내부 구조를 변경하여 고주파에서의 임피던스를 개선했습니다.

그림 3은 칩 페라이트 비드의 임피던스 주파수 특성을 보여주며, 이 그림은 400-500MHz 주파수 영역에서 임피던스 값이 떨어지기 시작하는 경계를 형성하고 있음을 보여줍니다. 이는 칩 페라이트 비드 구조의 영향 때문입니다. 기본적으로 인덕터의 임피던스는 주파수가 상승함에 따라 계속 증가합니다. 그러나 일반 칩 페라이트 비드는 그림 5와 같이 내부에 권선 시작(입구)이 권선 끝(출구)에 가까운 영역이 있습니다. 이러한 영역에서는 정전기 결합(매우 작은 커패시터가 존재하는 것처럼 보이는 상태)이 발생하여 고주파 전류가 통과하고 인덕터의 임피던스가 영향을 덜 받습니다. 정전기 결합 영역에서는 주파수가 증가함에 따라 전류가 더 쉽게 통과하는 경향이 있으므로 주파수가 높아질수록 겉보기 임피던스가 감소합니다.

이 문제를 해결하기 위해서는 권선의 시작과 끝이 서로 가깝게 배치되는 구조를 변경해야 합니다. 그림 6은 고주파 특성을 개선하기 위해 내부 구조를 변경한 칩 페라이트 비드의 예를 보여줍니다. 일반 칩 페라이트 비드에서는 코일 패턴의 축이 수직으로 감겨 있는 반면(소위 '수직 권선'), 고주파 특성이 개선된 칩 페라이트 비드의 코일 패턴 축은 수평으로 감겨 있습니다. 결과적으로 코일 권선 시작과 권선 끝 사이에 약간의 거리를 두면 임피던스가 떨어지기 시작하는 주파수가 크게 증가합니다.