노이즈 억제 필터 가이드

노이즈 대책의 기본 [레슨 6] 공통 모드 초크 코일

10/28/2011

칩형 3단자 커패시터에 대한 이전 설명에 이어 이번 단원에서는 커먼 모드 초크 코일에 대해 설명합니다.

<공통 모드 초크 코일은 전도 모드를 사용하여 신호에서 노이즈를 분리합니다>

앞서 칩 페라이트 비드와 칩형 3단자 커패시터에 대해 설명할 때 노이즈 주파수가 신호 주파수보다 상대적으로 높기 때문에 주파수 차이를 활용하는 방법에 대해 설명했습니다. 따라서 노이즈만 선택적으로 억제하는 저역 통과 필터로 작동합니다. 공통 모드 초크 코일도 노이즈 필터의 일종이지만 주파수 차이를 이용하는 대신 전도 모드의 차이로 신호와 노이즈를 분리합니다. 따라서 먼저 공통 모드와 차동 모드의 차이점을 알아야 합니다.

<공통 모드 및 차등 모드>

일반적으로 회로 기판의 전기 회로에서 특정 부품에서 흘러나온 전류는 부하를 통해 다른 회로에 도달한 후 회로 기판의 다른 경로를 통해 원점으로 되돌아갑니다. (대부분의 경우 복귀 경로는 회로 기판의 접지면입니다.) 이러한 유형의 흐름을 차동 모드(또는 일반 모드)라고 합니다.

명확한 전선은 아니지만 또 다른 전도 경로도 존재합니다. 회로 기판의 전선과 기준 접지 표면 사이에 소량의 부유 커패시턴스가 생성되어 커패시턴스가 회로 기판의 모든 전선을 통해 공통으로 흐르고 기준 접지 표면을 따라 반대 방향으로 되돌아오는 전도 경로가 생성됩니다. 이 경로를 공통 모드라고 합니다.

전선과 기준 접지 표면 사이의 표유 커패시턴스는 매우 작지만, 적은 양의 표유 커패시턴스에도 신호 주파수가 상승하면 임피던스가 떨어지므로 공통 모드 전류가 더 쉽게 흐릅니다. 일반적으로 공통 모드 전류는 전기 회로를 통해 활발하게 전달되지 않지만 전원 공급 회로 또는 드라이버 IC의 접지가 진동하면 구동하는 전체 회로가 진동하여 공통 모드 노이즈가 발생합니다. 케이블이 회로에 외부로 연결되어 있으면 공통 모드 전류도 케이블을 통해 흐릅니다. 케이블은 접지에 대해 전위를 가지므로 전류는 노이즈 전파로 방출됩니다.

<공통 모드 초크 코일은 공통 모드 전류에만 작용하는 노이즈 필터입니다.

공통 모드 초크 코일은 위에서 언급한 공통 모드와 차동 모드 또는 전도 모드의 신호와 노이즈를 구별하는 노이즈 필터입니다. 간단히 말해 공통 모드에서만 작동하는 필터입니다.
그림 3은 공통 모드 초크 코일의 원리 다이어그램을 보여줍니다.

공통 모드 초크 코일은 단일 코어(고주파 애플리케이션에 사용되는 경우 페라이트 코어)를 감싸는 두 개의 전도성 와이어로 구성됩니다. 따라서 4개의 단자가 있습니다. 전선은 코어를 반대 방향으로 감싸고 있습니다. 이러한 구조의 코일에 공통 모드 전류가 흐르면 각 코일에서 발생하는 전자기 유도 현상에 의해 자속이 생성됩니다. 그러나 생성된 자속의 방향이 동일하기 때문에 두 자속이 모두 강해져 인덕터로서의 작용이 증가합니다. 반대로 코일을 통해 흐르는 차동 모드 전류는 서로 상쇄되는 반대 방향의 자속을 생성합니다. 결과적으로 더 이상 차동 모드 전류에 대해 인덕터 역할을 하지 않습니다. 따라서 공통 모드 초크 코일은 차동 모드가 아닌 공통 모드에 대해서만 인덕터로 작동하는 필터입니다.

<공통 모드 초크 코일의 장점>

공통 모드 초크 코일에는 두 가지 장점이 있습니다.

(1) 신호와 노이즈의 주파수가 겹쳐도 서로 다른 전도 모드로 노이즈만 억제할 수 있습니다.
(2) 코어가 포화 상태가 되지 않기 때문에 차동 모드 전류가 커져도 성능이 저하되지 않습니다.

공통 모드 초크 코일의 가장 중요한 특징은 동일한 주파수에서도 노이즈와 신호를 구별하는 능력입니다. 최근 점점 더 많은 전자 기기가 고속 차동 전송을 신호 전송 방식으로 사용하기 시작했습니다. 고속 차동 전송의 대표적인 예로는 USB, SATA, HDMI가 있습니다. 고속 차동 전송 회선에서는 매우 높은 주파수의 신호가 전송되는데, 주파수 차이로 노이즈와 신호를 분리하는 페라이트 비드 같은 필터로는 두 신호를 구분할 수 없습니다. 신호의 영향을 강조하면 노이즈를 잘 억제할 수 없지만, 노이즈 억제에 집중하면 신호의 일부가 감쇠되어 신호 무결성에 영향을 미칩니다. 반면 공통 모드 초크 코일은 전송 모드를 사용하여 신호와 노이즈를 분리하므로 차동 모드인 경우 코일을 통과하는 고속 신호가 영향을 받지 않습니다. 고속 차동 전송 라인에서 신호는 일반적으로 차동 모드만 사용됩니다. 문제가 되는 노이즈는 대부분 공통 모드 노이즈이므로 공통 모드 초크 코일을 사용하면 고속 신호에 영향을 주지 않고 공통 모드 노이즈를 효과적으로 억제할 수 있습니다.

케이블은 전원을 입력받는 업무용 전원 라인과 보조 AC 어댑터에 연결됩니다. 이러한 케이블은 안테나가 되어 방출되는 노이즈가 문제가 됩니다. 페라이트 비드 또는 일반 모드 초크 코일과 같이 차동 모드에서 작동하는 인덕터형 필터를 사용하면 코어가 흐르는 큰 전류로 인해 자기 포화 상태가 되어 인덕터로서의 성능이 급격히 저하됩니다. 커먼 모드 초크 코일은 이러한 유형의 애플리케이션에 매우 유용합니다. 공통 모드 초크 코일에서는 차동 모드 전류에 의해 생성된 자속이 서로 상쇄되어 사라지기 때문에 자기 포화가 발생하지 않습니다. 따라서 커먼 모드 초크 코일은 큰 전류가 흐르는 전력선의 노이즈를 억제하는 데 사용됩니다.

<공통 모드 초크 코일의 예 >

그림 5는 공통 모드 초크 코일의 몇 가지 예를 보여줍니다.

AC 전력선은 고전압에 노출되기 때문에 이러한 라인용 코일을 제작할 때는 안전에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 반대로 고속 신호선에는 더 작은 크기의 코일이 필요하기 때문에 이러한 애플리케이션에는 칩형 코일이 사용됩니다. 시중에 판매되는 코일은 페라이트 코어에 와이어를 감는 권선 와이어형과 필름 코일을 사용하는 필름형도 있습니다. 권선 와이어형은 고성능이 특징이고 필름형은 크기가 작은 것이 특징입니다. 그림 6은 권선 와이어 칩형 공통 모드 초크 코일의 구조 예시입니다. 두 개의 선이 코일에 함께 감겨 있어 나가는 선과 돌아오는 선이 나란히 놓이고, 선 사이의 자기 결합이 증가하여 공통 모드와 차동 모드 사이의 선택성을 높입니다.

그림 6. 권선 와이어 칩형 공통 모드 초크 코일의 구조 예시(아래 그림)

<공통 모드 초크 코일 사용 시 주의사항>

지금까지의 논의에서는 공통 모드 초크 코일이 차동 모드에 영향을 주지 않는다고 설명했지만 이는 이상적인 공통 모드 초크 코일에만 해당되는 이야기입니다. 실제로는 반대쪽 코일에서 누출되는 일부 자속이 상쇄되지 않아 소량의 인덕턴스가 발생합니다. 이 차동 모드 인덕턴스는 매우 작지만 매우 높은 주파수 신호를 사용하는 애플리케이션에서는 그 영향을 고려해야 합니다. 그림 7은 칩형 공통 모드 초크 코일의 실제 임피던스 곡선 예시를 보여줍니다. 차동 모드 임피던스는 약 1GHz에서 높아지는 것을 알 수 있습니다. 최근에는 차동 모드 임피던스를 더욱 억제하는 칩형 커먼 모드 초크 코일이 개발되었습니다. 디스플레이 포트, USB3.0 및 초고주파 신호를 사용하는 기타 장치에는 적절한 칩형 공통 모드 초크 코일을 선택해야 합니다.
고속 차동 라인에 사용할 칩형 커먼 모드 초크 코일 선택 가이드를 살펴보세요.

고속 차동 변속기 라인용 공통 모드 초크 코일 선택 가이드
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