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2020.02.19 스위칭 노이즈 - EMC

정리

인덕터를 사용한 노이즈 대책

지금까지 「인덕터를 사용한 노이즈 대책」으로서, 「인덕터와 페라이트 비즈」, 「공통 모드 필터」, 주의점으로서 「크로스토크, GND 라인으로부터의 유입」에 대해 설명했습니다. 이제 본 편에서는, 「콘덴서를 사용한 노이즈 대책」과 마찬가지로 인덕터를 사용한 노이즈 대책에 대해 최종 정리하겠습니다.

인덕터를 사용한 노이즈 대책 정리

1. 인덕터를 사용한 노이즈 대책이란?

  • ・콘덴서만으로 노이즈를 충분히 제거할 수 없을 경우, 인덕터 이용을 검토한다.
  • ・노이즈 대책에서 사용하는 인덕터는 크게 2가지로 구분된다.
     ①권선 타입 인덕터 : 필터를 구성한다.
     ②페라이트 비즈 : 노이즈를 열로 변환한다.

2. 인덕터와 페라이트 비즈의 임피던스 특성

  • ・페라이트 비즈는 인덕터로 분류되지만, 일반적인 인덕터와는 주파수 – 임피던스 특성이 다르다.
  • ・페라이트 비즈는 일반적인 인덕터에 비해 저항 성분 R이 크고 Q가 낮으므로, 이러한 특성을 이용하여 노이즈 제거가 가능하다.
  • ・일반적인 인덕터는 비교적 큰 직류 중첩 전류를 허용할 수 있으며, 그 범위 안에서라면 임피던스는 직류 전류의 영향을 그다지 받지 않는다.
  • ・페라이트 비즈는 직류 전류에 포화되기 쉬우므로, 포화로 인해 인덕턴스가 저하되어 공진점이 높은 대역으로 이동한다. 이로 인해 필터 특성이 변동하므로 주의가 필요하다.

3. 권선 타입 인덕터를 사용한 노이즈 대책 : 필터를 구성한다.

  • ・일반적인 인덕터를 통한 필터는 넓은 인덕턴스 값을 선택할 수 있다.
  • ・인덕터를 사용한 Π형 필터의 경우, 저주파 영역에서는 인덕터와 콘덴서에 의한 Low-pass filter로서 동작한다.
  • ・고주파가 되면 인덕터는 용량으로, 콘덴서는 인덕터로 동작하게 되어, High-pass filter로서 기능하므로 노이즈 제거 효과는 얻을 수 없다.

4. 페라이트 비즈를 사용한 노이즈 대책 : 노이즈를 열로 변환한다.

  • ・페라이트 비즈는 Q가 낮으므로, 비교적 넓은 주파수에서의 대책에 효과적이다.
  • ・페라이트 비즈도 저주파 영역에서는 기본적으로 Low-pass filter로서 기능한다. 단, 이 영역에서는 직류 전류에 포화되기 쉬우므로, 인덕턴스가 저하되는 페라이트 비즈로는 원하는 대역의 노이즈를 제거하기 어렵다.
  • ・리액턴스가 저하되어 저항 성분과 크로스 (교차)되는 포인트를 넘어가면, 페라이트 비즈는 저항으로서 기능하여 노이즈를 열로 변환한다.
  • ・페라이트 비즈를 사용한 필터는 노이즈를 바이패스할 뿐만 아니라 열로 변환하므로, 높은 노이즈 제거 성능을 기대할 수 있다.
  • ・저항으로서 기능하여 노이즈를 열로 변환하는 것은, 권선 타입의 인덕터를 사용한 필터와의 큰 차이점이다.
  • ・더 높은 대역에서는 권선 타입의 인덕터와 마찬가지로 High-pass filter로서 기능한다.

5. 공통 모드 필터란?

  • ・공통 모드 필터는 엄밀히 따지면 인덕터는 아니지만, 노이즈 대책에는 중요한 자기 (磁気) 부품이다.
  • ・공통 모드 필터는 1개의 코어에 2개의 권선을 배치하여, 등가적으로는 2개의 인덕터가 합체된 것 같은 구조다.
  • ・공통 모드 필터는, 자기 유도 작용을 이용하여 공통 모드 전류를 통과하기 어렵게 함으로써 (choke), 공통 모드 노이즈를 제거한다.
  • ・공통 모드 전류는 통과시키지 않지만, 차동 모드 (Differential mode) 전류는 통과시킨다.

6. 공통 모드 필터를 사용한 노이즈 대책

  • ・스위칭 전원의 입력 필터로서 사용하는 경우에는, 차동 모드 임피던스가 커지는 분할 권선 구조를 사용한다.
  • ・이러한 타입은 일반적으로 전원 라인용 공통 모드 필터로서 판매되고 있다.
  • ・차동 모드 노이즈의 감쇠 효과도 기대할 수 있지만, 수백 k ~ 수 MHz 정도의 차동 모드 임피던스는 매우 낮으므로, Π형 필터 등의 차동 모드 노이즈용 필터를 병용하는 것이 일반적이다.

7. 크로스토크에 관한 주의점

  • ・기판 배선 레이아웃에 따라서는, 크로스토크로 인해 필터 효과가 저하된다.
  • ・크로스토크란, 기판 배선간 부유 용량 (浮遊容量)이나 상호 인덕턴스로 인해 인접된 다른 기판 배선으로 노이즈가 결합되는 것이다.
  • ・필터 후의 배선이 필터 전의 노이즈를 포함한 배선과 인접되어 있는 경우, 크로스토크로 인해 노이즈가 결합하여 필터 효과가 저하된다.
  • ・대책으로서는, 노이즈를 포함하는 라인에 인접하지 않는 레이아웃을 통해 노이즈의 결합을 최소한으로 억제할 수 있다.

8. GND 라인으로부터의 유입에 대한 주의점

  • ・Π형 필터를 사용한 인덕터의 전후에 배치된 콘덴서의 GND에 따라 노이즈의 유입이 발생하는 경우가 있다.
  • ・대책으로서는, 노이즈가 직접 전달되지 않도록 Via (비아)를 경유하여 GND plane에 접속함으로써 Via의 기생 인덕턴스를 이용하는 방법이 효과적으로 작용하기도 한다.

노이즈 대책의 기초