공통 모드와 차동 모드 잡음 필터 중에서 선택하는 방법

회로에 원치 않는 잡음이 발생하면 엔지니어는 올바른 필터를 선택해야 합니다. 결정은 잡음 유형(공통 모드 또는 차동 모드)에 따라 달라집니다. 공통 모드 잡음은 접지를 기준으로 두 라인 모두에서 동일하게 나타납니다. 차동 모드 잡음은 두 라인 사이의 전압 차이로 나타납니다. 유용한 비유는 2차선 고속도로입니다. 공통 모드는 갓길을 기준으로 동일한 방향으로 움직이는 두 차선과 유사합니다. 차동 모드는 반대 방향으로 이동하는 차량과 유사합니다. 적절한 노이즈 필터 선택은 어떤 노이즈 유형이 존재하는지 식별하는 것부터 시작됩니다. 이러한 식별은 올바른 필터 솔루션으로 이어집니다. 노이즈 필터를 잘못 선택하면 노이즈 문제가 악화되거나 해결되지 않은 상태로 남을 수 있습니다. 따라서 효과적인 회로 설계를 위해서는 이 두 가지 노이즈 유형을 이해하는 것이 필수적입니다.

공통 모드와 차동 모드 잡음

공통 모드 잡음 정의

공통 모드 노이즈는 공통 접지를 기준으로 두 신호 라인 모두에서 동일한 전압 변동으로 나타납니다. 이 잡음 유형은 두 도체 모두에서 동일한 위상과 진폭을 공유합니다. 외부 전자기 간섭 및 접지 루프는 가장 일반적인 모드 잡음을 생성합니다.

보도 비유는 공통 모드 잡음을 명확하게 보여줍니다. 보도에서 같은 방향으로 나란히 걷는 두 사람이 두 개의 신호선을 나타냅니다. 땅은 보도 그 자체의 역할을 합니다. 두 사람이 보도를 기준으로 함께 이동할 때 공통 모드 소음 동작을 반영합니다. 두 라인 모두 접지에 대해 동일한 원치 않는 신호를 전달합니다.

차동 신호는 신호 무결성을 유지하기 위해 공통 모드 거부를 사용합니다. 두 개의 와이어가 차동 쌍으로 서로 밀접하게 연결되면 외부 EMI가 두 라인 모두에서 거의 동일한 잡음 전압을 유도합니다. 수신기는 하나의 신호를 다른 신호에서 빼서 동일한 잡음 성분을 제거합니다. 이렇게 취소하면 원래의 전압 차이가 보존됩니다. 공통 모드 잡음은 수신기의 CMRR 성능을 초과할 때 문제가 됩니다. CMRR 값의 범위는 40~60dB이며 소음을 100~1000배 감쇠합니다.

추적 비대칭은 거부 효율성을 감소시킵니다. 100ps 비트 주기를 갖는 10Gbps 신호의 경우 허용되는 최대 스큐는 약 10ps입니다. FR-4 재료에서 약 2mm의 트레이스 길이 불일치로 인해 이러한 왜곡이 발생합니다. 이러한 불일치는 공통 모드 잡음을 차동 잡음으로 변환하여 신호 무결성을 저하시킵니다.

접지 루프는 또 다른 중요한 공통 모드 잡음 소스를 생성합니다. 산업용 데이터 수집 시스템에서 여러 센서 터미널, 아날로그 입력 공통, 차폐 접지를 동일한 전원 공급 장치 음극에 연결하면 접지 지점 사이에 여러 전도성 경로가 생성됩니다. 이 구성을 사용하면 AC 주전원 접지 전위차의 순환 전류가 신호 접지에 결합될 수 있습니다. 결과는 접지점 사이의 다양한 전압 오프셋으로 나타납니다. 엔지니어들은 4~20mA 신호에서 약 1mA의 피크 간 잡음을 관찰하고 접지 루프 커플링의 0~5V 센서 출력에서 ​​약 50mV의 피크 간 잡음을 관찰합니다. 적절한 접지 기술은 이러한 루프가 형성되는 것을 방지합니다.

접지 루프는 접지 시스템의 두 지점 사이에 여러 전도성 경로가 있을 때 발생합니다. 물리적으로 분리된 두 전원 공급 장치의 공통 부분을 함께 연결하면 큰 전도성 루프가 생성됩니다. 이 루프는 안테나처럼 작동하여 산업 환경에서 전기 잡음을 포착합니다. 커먼 레일에 흐르는 이 전류는 시스템의 서로 다른 접지 지점 사이에 다양한 전압 오프셋을 생성합니다.

차동 모드 잡음 정의

차동 모드 노이즈는 두 신호 라인 사이의 전압 차이로 존재합니다. 이 노이즈 유형은 각 라인과 접지 사이가 아닌 라인 전체에 걸쳐 나타납니다. 회로 자체 내의 스위칭 전류는 대부분의 차동 모드 잡음을 생성합니다.

같은 길에서 서로를 향해 걸어가는 두 사람의 모습은 분명한 비유를 제공한다. 개인이 반대 방향으로 움직일 때 상대적인 움직임은 그들 사이에 차이를 만듭니다. 마찬가지로 차동 모드 잡음은 두 도체 사이에 측정 가능한 전압 차이를 생성합니다.

DC-DC 컨버터는 상당한 차동 모드 잡음을 생성합니다. 다음 표에는 일반적인 특성이 요약되어 있습니다.

100μH 시리즈 인덕터는 10~18dB의 잡음 감소를 제공합니다. 적절한 설계를 갖춘 외부 필터 보드는 거의 완전한 감소를 달성합니다. 이러한 주파수 특성을 이해하면 엔지니어가 적절한 필터링 구성요소를 선택하는 데 도움이 됩니다. 이러한 변환기용 필터를 설계하는 엔지니어는 효과적인 잡음 억제를 달성하기 위해 이 주파수 범위를 해결해야 합니다.

공통 모드 초크 작동 방식

바이파일러 와인딩 및 필드 취소

공통 모드 초크는 단일 자기 코어에 나란히 감겨 있는 두 개의 코일을 사용합니다. 이 구조를 바이파일러 와인딩이라고 합니다. 두 개의 권선은 동일한 회전 수를 가지며 동일한 코어 재료를 공유합니다. 코어 소재는 초크의 주파수 성능을 결정합니다. 페라이트 코어는 고주파 소음을 효과적으로 차단하지만 더 좁은 주파수 범위 내에서 작동합니다. 분말 금속 코어는 더 넓은 주파수 범위를 처리하지만 더 많은 에너지를 저장할 수 있으므로 열 발생이나 인덕턴스 손실이 발생할 수 있습니다. 모든 코어 재료는 과열이나 인덕턴스 손실 없이 반복적인 전류 변동을 견뎌야 합니다.

바이파일러 배열은 놀라운 자기 동작을 생성합니다. 차동 모드 신호의 경우 원하는 전류가 두 권선을 통해 반대 방향으로 흐릅니다. 이러한 반대 전류는 서로를 완전히 상쇄하는 자기장을 생성합니다. 코어의 순 플럭스는 0에 가깝게 유지됩니다. 이러한 취소로 인해 초저 DC 저항이 생성되어 원하는 신호가 손실을 최소화하면서 통과할 수 있습니다. 공통 모드 잡음의 경우 전류는 두 권선을 통해 동일한 방향으로 흐릅니다. 자기장은 서로를 강화하여 코어에 강한 자속을 생성합니다. 이 강화된 자기장은 잡음을 차단하는 높은 임피던스를 생성합니다.

핵심 원리: 차동 신호의 경우 원하는 전류가 반대 방향으로 흐르므로 자기장이 서로 상쇄되어 신호가 왜곡 없이 자유롭게 흐를 수 있습니다. 이와 대조적으로 공통 모드 잡음 전류는 동일한 방향으로 흐르므로 자기장을 강화하고 잡음을 억제하는 높은 저항을 생성합니다.

잡음에 대한 높은 임피던스, 신호에 대한 낮은 임피던스

공통 모드 초크의 임피던스 동작은 전적으로 전류 방향에 따라 달라집니다. 아래 표에는 이 관계가 요약되어 있습니다.

바이파일러 권선은 의도적으로 누설 인덕턴스를 최소화합니다. 권선을 나란히 배치하면 표유 자기장이 줄어듭니다. 이러한 낮은 누설 인덕턴스는 낮은 차동 모드 임피던스로 이어집니다. 이 설계 선택은 데이터 라인 초크에 매우 중요합니다. 이는 차동 모드 신호가 최소한의 임피던스로 전달되도록 하여 상승 시간 저하를 방지하고 지터를 방지함으로써 신호 무결성을 보존합니다. 이와 대조적으로 단면 권선은 주 필터의 차동 모드 감쇠를 위한 누설 인덕턴스를 증가시키지만 바이파일러 초크는 이러한 목적을 달성하지 못합니다.

이러한 목표 억제 기능 덕분에 공통 모드 초크는 차동 쌍 및 전력선에 이상적입니다. 초크는 원하는 차동 신호는 그대로 유지하면서 원치 않는 공통 모드 잡음만 필터링합니다. 엔지니어는 전달되는 데이터가 왜곡될 염려 없이 이러한 구성 요소를 신호 라인과 직렬로 배치할 수 있습니다.

차동 모드 인덕터의 작동 방식

단일 코일 및 직렬 임피던스

차동 모드 인덕터는 자기 코어에 감긴 단일 코일을 사용합니다. 인덕터는 전력선과 직렬로 연결됩니다. 이 구조는 모든 고주파 전류에 대한 임피던스를 나타냅니다. 차동 모드 잡음과 공통 모드 잡음 모두 약간의 감쇠가 발생합니다. 임피던스는 주파수에 따라 증가합니다.

포화 전류는 실제 작동 한계를 결정합니다.

포화 전류(I_sat)가 필터링에 미치는 영향: 작동 전류가 포화 임계값을 초과하면 코어가 포화되어 인덕턴스가 급격히 떨어집니다. 이러한 인덕턴스 붕괴는 차동 모드 인덕터의 잡음 감쇠 능력을 직접적으로 저하시킵니다. 따라서 안정적인 필터링 성능을 유지하려면 회로의 피크 전류를 초과하도록 포화 전류를 선택해야 합니다.

자체 공진 주파수는 효과적인 필터링에 상한선을 설정합니다.

10mH 공통 모드 초크는 200kHz에서 SRF(자체 공진 주파수)를 나타냅니다. 이 주파수 이상에서는 초크가 인덕터가 아닌 커패시터처럼 동작합니다. 1MHz 이상의 잡음에 대한 필터를 설계할 때 인덕터의 주파수 특성을 신중하게 고려해야 합니다. 부품의 유도성 동작이 SRF 이상으로 손실되어 고주파수 스위칭 잡음을 필터링하는 데 효과적이지 않기 때문입니다.

SRF는 권선 간 정전 용량(일반적으로 0.5~5pF)에 따라 달라집니다. 이 커패시턴스는 인덕턴스와 병렬 공진 회로를 형성합니다. SRF 이상에서는 임피던스가 용량성이 됩니다. SRF는 작동 주파수를 최소 3배 이상 초과해야 합니다. 100MHz용 필터에는 300MHz 이상의 SRF를 갖는 인덕터가 필요합니다.

라인 리플 및 스위칭 노이즈 필터링

차동 모드 인덕터는 범용 필터 역할을 합니다. 일부 공통 모드 잡음을 필터링할 수 있지만 주요 목적은 차동 모드 리플 전류 및 스위칭 잡음을 차단하는 것입니다. DC-DC 컨버터는 상당한 리플 전류를 생성합니다.

리플 전류 감소는 설계 선택을 나타냅니다.

· 일반적인 리플 전류는 평균 출력 전류의 20~40% 로 선택됩니다 .

· 일반적인 시작점은 30% 이며 , ΔIL = 0.3 × IL로 표현됩니다.

· 이 범위는 고정된 물리적 한계가 아닌 설계 지침입니다.

표준 설계 목표는 30% 리플 전류입니다. 5A 출력의 경우 이는 ΔIL = 0.3 × 5A = 1.5A를 의미합니다. 리플을 줄이면 출력 품질이 더욱 향상되지만 더 큰 인덕터가 필요합니다. 리플이 증가하면 인덕턴스는 감소하지만 피크 전류 스트레스는 증가합니다. 30% 값은 균형 잡힌 기본값을 제공합니다.

인덕터는 포화 없이 피크 전류를 처리해야 합니다. 피크 전류는 평균 출력 전류에 리플 전류의 절반을 더한 값과 같습니다. 리플이 30%인 5A 출력의 경우 피크 전류는 5.75A에 도달합니다. 포화 전류 정격은 이 값을 초과해야 합니다.

노이즈 필터 선택: 주요 매개변수

소음원 식별

노이즈 필터 선택 프로세스의 첫 번째 단계에서는 노이즈 유형을 식별해야 합니다. 엔지니어는 두 신호 라인 사이, 그리고 각 라인과 접지 사이의 노이즈를 측정합니다. 스펙트럼 분석기는 이러한 특성화를 위한 가장 효과적인 도구를 제공합니다.

운영자는 체계적인 절차를 따릅니다. 먼저, 중심 주파수, 대역폭, 진폭, 시간적 동작 및 변조 특성을 측정하여 간섭을 특성화합니다. 다음으로 소음원을 분류합니다. 둥근 주파수의 연속파 신호는 발진기 또는 클록을 나타냅니다. 전력선 주파수에 측파대가 있는 신호는 전력선 관련 노이즈를 나타냅니다. 넓은 소음 혹은 스위칭 전원 공급 장치 또는 LED 드라이버의 광대역 간섭을 나타냅니다. 마지막으로 근거리 프로브를 사용하여 전원 공급 장치, 디지털 회로 또는 케이블과 같이 의심되는 소스 근처의 신호를 스니핑합니다. 신호는 소스 자체에서 가장 강합니다.

분해능 대역폭 조정은 매우 중요합니다. 빠른 개요를 위해 넓은 분해능 대역폭으로 시작하세요. 의심스러운 신호가 나타나면 분해능 대역폭을 줄여 밀접하게 간격을 둔 신호를 해결하십시오. 발진기 누출 또는 CW 스퍼와 같은 매우 협대역 신호의 경우 정확한 주파수를 측정하는 데 사용할 수 있는 가장 좁은 분해능 대역폭을 사용하십시오.

차동 프로브는 접지 기준이 필요 없이 두 지점 사이의 전압 차이를 측정합니다. 이 프로브는 공통 모드 신호를 거부하므로 잡음이 많은 환경에서 낮은 레벨의 신호를 캡처하는 데 매우 효과적입니다. 프로브의 공통 모드 거부를 확인하기 위해 작업자는 차동 입력을 단락시키고 두 프로브 팁을 회로의 동일한 지점에 연결합니다. 테스트 프로브 출력의 진폭을 입력 신호의 진폭으로 나누면 CMRR이 생성됩니다. CMRR 플롯의 여러 주파수에서 이 실험을 반복하면 주파수 범위 전체에서 성능이 검증됩니다.

접지를 기준으로 두 라인 모두에서 노이즈가 동일하게 나타나는 경우 노이즈 유형은 공통 모드입니다. 노이즈가 두 라인 사이의 전압 차이로 나타나는 경우 노이즈 유형은 차동 모드입니다. 이러한 구별이 올바른 필터 선택을 결정합니다.

임피던스, 전류 및 크기 평가

공통 모드 초크의 경우 특정 잡음 주파수에서의 임피던스가 필터링 효과를 결정합니다. 임피던스는 목표 잡음 주파수에서 충분히 높아야 합니다. 자체 공진 주파수는 관심 있는 최고 잡음 주파수를 초과해야 합니다.

정격 전류는 열 폭주 없이 연속 작동을 처리해야 합니다. 연속 RMS 전류는 애플리케이션의 정격 전류 내에 있어야 합니다. 인덕턴스 안정성을 보장하려면 온도 상승이 한도 내로 유지되어야 합니다.

안정적인 필터링 성능을 유지하려면 회로의 피크 전류를 초과하도록 포화 전류를 선택해야 합니다. 작동 전류는 연속 작동을 위해 정격 전류를 초과해서는 안 되며, 온도가 상승하면 용량 감소가 필요할 수 있습니다.

DC 저항은 전력 손실을 결정합니다. I²R 손실은 RMS 전류 제곱에 DCR을 곱한 것과 같습니다. 누설 인덕턴스는 설계마다 다르며 때로는 차동 모드 필터 역할을 합니다. 엔지니어는 이 매개변수를 주의 깊게 제어해야 합니다.

차동 인덕터의 경우 포화 전류와 DC 저항이 주요 선택 기준을 형성합니다. 인덕터는 피크 전류에서 포화되어서는 안 됩니다. DCR은 전력 손실과 열 발생을 최소화할 수 있을 만큼 낮게 유지되어야 합니다.

패키지 크기와 비용으로 노이즈 필터 선택이 완성됩니다. 표면 실장 장치는 소형 PCB 레이아웃에 적합합니다. 스루홀 토로이드 설계는 다양한 장단점을 제공합니다. 페라이트와 분말 금속 사이의 핵심 재료 선택은 비용과 성능 모두에 영향을 미칩니다. 전류가 높을수록 더 큰 와이어 게이지가 필요하므로 권선 수가 줄어들고 임피던스가 낮아집니다. 최적화된 권선 기술은 고전류 설계의 구리 충전율을 향상시킬 수 있습니다. 노이즈 필터 선택 프로세스에서는 이러한 모든 매개변수와 애플리케이션 제약 조건의 균형을 맞춰야 합니다.

명확한 프로세스를 통해 올바른 필터를 선택하는 것이 간단해집니다. 엔지니어는 먼저 소음 유형을 식별해야 합니다. 라인 사이 또는 각 라인과 접지 사이에 노이즈가 나타나는지 측정합니다. 이 단일 측정으로 전체 노이즈 필터 선택 경로가 결정됩니다.

간단한 체크리스트를 통해 결정을 내릴 수 있습니다.

1. 선간, 각 선과 접지 사이의 노이즈를 측정합니다.

2. 접지를 기준으로 두 라인의 동일한 노이즈에 대해 공통 모드 초크를 선택합니다.

3. 라인간 전압차로 나타나는 노이즈에 대해서는 차동 모드 인덕터를 선택합니다.

4. 잡음 주파수, 전류 정격 및 물리적 크기에서 임피던스를 확인합니다.

이 두 가지 소음 유형을 이해하면 복잡한 선택이 논리적인 결정으로 전환됩니다. 이러한 차이를 숙지한 엔지니어는 자신감을 갖고 효과적인 필터를 선택합니다.

FAQ

공통 모드 초크가 차동 모드 잡음도 필터링할 수 있습니까?

공통 모드 초크는 누설 인덕턴스를 통해 최소한의 차동 모드 필터링을 제공합니다. 이 표유 인덕턴스는 설계마다 다르며 바이파일러 권선 초크에서는 의도적으로 낮게 유지됩니다. 실질적인 차동 모드 감쇠를 위해 엔지니어는 누설에만 의존하기보다는 공통 모드 초크를 별도의 차동 모드 인덕터와 쌍을 이루어야 합니다.

잘못된 필터 유형을 설치하면 어떻게 되나요?

공통 모드 잡음 문제를 위해 차동 모드 인덕터를 설치하면 잡음이 거의 해결되지 않습니다. 인덕터는 공통 모드 전류에 대해 일부 임피던스를 제공하지만 단일 코일 설계에는 공통 모드 초크를 효과적으로 만드는 필드 강화 메커니즘이 부족합니다. 소음이 지속되고 회로에 계속 간섭이 발생합니다.

채도는 필터 성능에 어떤 영향을 줍니까?

전류가 포화 임계값을 초과하면 코어는 자기 특성을 잃습니다. 인덕턴스가 급격하게 떨어지며 필터는 노이즈 감쇠를 효과적으로 중단합니다. 엔지니어는 회로의 피크 작동 전류를 초과하는 포화 전류 등급을 갖는 구성 요소를 선택해야 합니다.

전력선과 데이터선에 대한 필터 선택이 다릅니까?

예. 전력선 필터는 지속적인 고전류를 처리하고 포화 전류 및 열 성능을 우선시해야 합니다. 데이터 라인 필터는 신호 무결성을 유지하는 데 중점을 두며 파형 왜곡을 방지하기 위해 최소한의 차동 모드 임피던스가 필요합니다. 공통 모드 초크는 두 애플리케이션 모두에 사용되지만 선택 기준은 설치 상황에 따라 다른 매개변수를 강조합니다.

더 나은 성능을 위해 여러 필터를 결합할 수 있습니까?

엔지니어는 단일 설계에 두 가지 필터 유형을 결합하는 경우가 많습니다. 차동 모드 인덕터와 쌍을 이루는 공통 모드 초크는 포괄적인 필터링 솔루션을 생성합니다. 이 접근 방식은 두 가지 소음 유형을 동시에 해결합니다. 잡음 필터 선택 프로세스에서는 필터가 의도하지 않은 상호 작용 없이 함께 작동하는지 확인하기 위해 결합된 임피던스 특성을 평가해야 합니다.