노이즈 억제 필터 가이드

노이즈 대책의 기본 [레슨 8] 페라이트 코어

07/13/2012

<기판 교체 없이 사용 가능한 소음 대책 부품>

이전에는 전자 회로의 일부로 기판에 실장하는 노이즈 대책 부품을 소개했습니다. 이번에는 기판에 실장할 필요가 없는 노이즈 대책 부품을 소개합니다. (기판에 고정하는 경우도 있지만...)
앞서 소개한 것처럼 전자기기를 상품화할 때는 기기에서 방출되는 노이즈가 EMI 규정을 만족하는지 확인해야 합니다. 하지만 최종 점검은 디바이스 설계가 완료되어야만 가능합니다. 최근에는 노이즈가 발생하지 않는 설계에 대한 경험이 늘어나고 있고, 노이즈 발생을 방지하기 위해 사전에 다양한 조치를 취하고 있지만 당연히 최종 테스트를 해봐야 그 효과를 알 수 있습니다. 현재로서는 소음도가 예상대로 규제치 이내라면 문제가 없지만, 간혹 테스트 결과 규제치를 초과하는 경우도 있습니다. 납기가 가까워지면 기판을 교체할 시간이 없으므로 기판을 교체하지 않고도 대책을 세울 수 있는 페라이트 코어와 같은 부품이 유용하게 쓰입니다.

<페라이트 코어는 페라이트 덩어리>

페라이트 코어는 페라이트(연성 페라이트)를 다양한 모양으로 가공한 세라믹 자성체입니다. 이전에는 고리 모양의 페라이트 코어에 전도선을 감아 코일을 만드는 경우가 많았기 때문에 노이즈 대책에 사용되는 페라이트도 마찬가지로 페라이트 코어라고 부릅니다.

페라이트에는 구성에 따라 Mn-Zn 페라이트와 Ni-Zn 페라이트가 있습니다. Mn-Zn 페라이트는 전도성이 있어 절연 작업이 필요하고, Ni-Zn 페라이트는 고주파 특성이 더 우수합니다. 이러한 이유와 기타 이유로 Ni-Zn 페라이트는 종종 소음 대책에 사용됩니다.

<페라이트 코어가 노이즈를 제거하는 원리>

페라이트 코어는 다양한 모양으로 제공되지만 대부분 링 모양입니다. 링의 구멍을 통해 도선을 통과시키면 도선과 페라이트 코어가 코일(인덕터)을 형성합니다. 이 코일(인덕터)은 전자 부품의 인덕터와 같은 원리를 기반으로 하기 때문에 그림 1과 같이 주파수에 따라 임피던스가 함께 증가합니다. 따라서 코일은 고주파 전류를 차단하는 저역 통과 필터의 역할을 하여 고주파 노이즈를 감쇠할 수 있습니다. 또한 페라이트 코어를 사용하면 추가적인 효과도 얻을 수 있습니다. 페라이트 코어로 구성된 인덕터에 전류가 흐르면 페라이트 코어에 자속이 발생하고 전류 에너지가 자기 에너지로 변환됩니다. 그러나 전류가 변하면 이 자속은 전자기 유도에 의해 다시 전류로 변환됩니다. 이때 모든 자속 에너지가 전류 에너지로 돌아오는 것은 아니며, 일부는 자기 손실로 손실됩니다. (이를 "히스테리시스 손실"이라고 합니다.) 결과적으로 도선을 통과하는 잡음 전류의 일부가 자기 손실로 손실되어 에너지가 감소합니다. 그림 1의 오른쪽은 페라이트 코어를 통과하는 전도선이 있는 코일의 임피던스 특성을 보여줍니다. 일반 코일의 임피던스는 대부분 리액턴스(X) 성분으로 구성되지만, 페라이트 코어를 사용하면 저항(R) 성분이 매우 커집니다. 이는 노이즈 대책에 적합한 페라이트 소재를 선정한 결과로, 높은 임피던스의 전류 제한 효과보다 자기 손실로 인한 노이즈 에너지 소비 효과가 페라이트 코어의 노이즈 제거 효과에서 더 큰 비중을 차지하게 됩니다.

<페라이트 코어 사양 및 성능

페라이트 코어의 노이즈 제거 성능은 페라이트 재질과 모양에 따라 다르며, 페라이트 재질에 따라 자기 투자율이 달라지기 때문에 임피던스도 달라집니다. 또한 임피던스의 저항 성분과 리액턴스 성분 사이의 비율도 재료에 따라 다릅니다. 하지만 노이즈 대책용으로 판매되는 페라이트 코어의 재질은 노이즈 대책용으로 특별히 혼합되어 있기 때문에 어떤 재질을 선택하든 특성에는 큰 차이가 없습니다.

인덕턴스는 도선이 링 코어를 통과하는 횟수(권선 수)에 따라 (권선 수의 제곱에 비례하여) 함께 증가합니다. 그러나 도선이 코어를 감싸면 권선의 시작(입구)과 끝(출구)이 서로 가까워지고 그 사이에 부동 커패시턴스가 발생합니다. 고주파 노이즈는 이 부동 커패시턴스 영역을 통해 전달되며, 이는 고주파 성능을 저하시키는 요인입니다. 따라서 노이즈 감소를 위한 목표 주파수를 고려하여 저주파 범위를 목표로 권선 수를 늘리거나 고주파 범위를 목표로 권선 수를 줄여야 합니다.

또한 페라이트 코어 치수는 그림 4와 같이 성능에 영향을 미칩니다. 따라서 가능한 가장 작은 내경과 가장 넓은 단면적의 링 코어를 선택해야 합니다.

<커먼 모드 초크 코일로 페라이트 코어 사용>

페라이트 코어는 편리함 때문에 케이블에 자주 사용됩니다. 그러나 이러한 케이블에는 인터페이스 케이블, 전원 케이블 및 병렬로 연결된 기타 다중 전도성 전선이 포함되므로 공통 모드 노이즈가 문제가 되는 경우가 많습니다. 공통 모드 초크 코일은 이러한 경우 효과적인 노이즈 대책이며, 공통 모드 초크 코일 기능은 케이블을 단일 페라이트 코어를 통해 함께 통과시킴으로써 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 한 쪽 끝에 여러 개의 신호 라인이 배선된 인터페이스 케이블의 경우 공통 모드 초크 코일을 배선하기 어렵습니다. 그러나 공통 모드 초크 코일 기능은 모든 인터페이스 케이블 와이어를 페라이트 코어를 통해 함께 통과시킴으로써 쉽게 달성할 수 있습니다.

<다양한 페라이트 코어 모양>

지금까지 링 형태의 페라이트 코어를 소개했지만, 그 외에도 다양한 형태의 페라이트 코어가 상용화되고 있습니다. 플랫 케이블과 연성 인쇄 회로(FPC)의 모양에 맞는 넓고 얇은 모양의 코어, 케이블을 코어를 통과시키는 작업을 없애기 위해 케이블 주위에 조립하는 분할 코어 등이 있습니다. 또한 링이 아닌 단순한 판 모양의 코어도 제공됩니다. 이러한 플레이트 코어는 전자파가 방출되는 IC 등의 위치에 부착되며, 페라이트의 자기 손실에 의해 플레이트 코어를 통과하는 전자파를 감쇠시켜 전파 흡수 효과를 노립니다.