페라이트 비드는 어떻게 작동하며, 올바른 비드는 어떻게 선택하나요?

페라이트 비드는 일반적으로 고주파 EMI 노이즈 억제에 사용합니다.

때로는 전자기파를 눈으로 볼 수 있었으면 좋겠다는 생각이 듭니다. 그러면 EMI를 훨씬 더 쉽게 감지할 수 있을 테고 복잡한 설정과 신호 분석기를 사용하는 대신 살펴보는 것 만으로 상황을 확인할 수 있을 테니까요. EMI를 볼 수는 없지만, 간혹 오디오 회로를 통해 수신될 때 EMI를 들을 수는 있습니다. 페라이트 비드는 이러한 종류의 간섭에 대한 해결책 중 하나입니다.

안타깝게도 페라이트 비드(페라이트 초크, 페라이트 클램프, 페라이트 칼라, EMI 필터 비드 또는 페라이트 링 필터라고도 함)는 다소 이해하기 힘들 수 있습니다. 페라이트 코어 기능은 인덕터와 비슷하지만, 페라이트 코어 주파수 응답은 고주파수에서는 이 기능에서 벗어납니다. 또한 권선형 페라이트 비드와 칩형 페라이트 비드처럼 서로 다른 유형의 비드는 잡음 감소에 대한 응답도 다릅니다. 예를 들어, 권선형 페라이트 비드는 광범위한 주파수에서 작동하지만 직류 설정에서는 저항이 더 낮습니다. 따라서 올바른 페라이트 사용을 위해서는 페라이트의 전자기적 특성 및 페라이트가 사용 중에 어떻게 변화하는지 이해해야 합니다. 페라이트 비드 사용법을 알아본 후에는 의도적으로 회로 기판에 사용할 페라이트 비드를 신중하게 선택하세요. 그렇지 않으면 해결할 수 없을 정도로 많은 문제가 발생할 수 있습니다.

이 이미지는 페라이트 비드가 페라이트 링 또는 페라이트 초크라고도 불리는 이유를 보여줍니다.

페라이트 비드란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

페라이트 비드는 전원 공급 라인의 높은 주파수 신호를 억제할 수 있는 수동 전자 컴포넌트입니다. 이 컴포넌트는 보통 노트북의 전원 코드와 같은 특정 장치로 들어오는 전원/접지선 쌍 주위에 배치됩니다. 이 비드는 패러데이의 법칙에 따라 작동합니다. 즉, 도체 주변의 자기 코어는 고주파 신호가 있을 때 역기전력을 유도하여 페라이트 주파수 응답을 감쇠시킵니다. 표준 페라이트 비드는 Coilcraft와 같은 전문 제조업체에서 구입할 수 있습니다. 단, 일부 프로젝트의 경우 맞춤형 비드가 필요할 수 있습니다.

페라이트는 자성체이며 이 재료를 전원 공급 장치/접지선 주변의 페라이트 클램프에 배치하면 선을 통과하는 신호에 유도 임피던스 소스를 제공할 수 있습니다. 이에 착안하여 페라이트를 표준적인 인덕터로 생각하고 싶을 수도 있지만, 실상은 좀 더 복잡합니다. 사실 페라이트 비드는 비 선형 부품입니다. 변경을 제공하는 임피던스는 페라이트 변경에 따른 부하 전류 및 전압 강하였습니다. 페라이트 비드의 단순화된 회로 모델을 통해 페라이트 비드의 주파수 특성을 이해할 수 있습니다. 단, 이러한 속성은 전류와 온도의 작용으로 인해 변경될 수 있습니다.

부하 전류는 페라이트의 임피던스를 변경할 수 있습니다.

페라이트 비드는 어떤 용도로 사용되나요?

페라이트 비드 임피던스는 유도성이므로, 페라이트 비드 인덕터는 전자 부품의 고주파 신호를 감쇠하는 데 사용됩니다. 전자 장치와 연결된 전선에 페라이트 비드 초크를 배치하면 전원 연결에 존재하거나 DC 전원 공급 장치에서 출력되는 허위 고주파 노이즈가 제거됩니다. 이러한 페라이트 클램프를 사용하는 것은 스위치 모드 전원 공급 장치 등에서 발생한 노이즈를 억제하는 여러 방법 중 하나입니다. 이처럼 페라이트 비드를 페라이트 필터로 활용하면 전도성 EMI를 억제하고 제거할 수 있습니다.

페라이트 비드를 필터로 사용하는 여러 용도 중 EMI 필터 비드/전원 공급 장치 필터 비드는 일반적으로 특정 DC 전류 임계값이 정격으로 규정되어 있습니다. 규정된 값을 초과하는 전류는 부품을 손상시킬 수 있습니다. 문제는 이러한 한계가 열의 영향을 크게 받는다는 것입니다. 온도가 증가할수록 정격 전류는 빠르게 감소합니다. 정격 전류는 페라이트의 임피던스에도 영향을 미칩니다. DC 전류가 증가할수록 페라이트 비드는 '포화'되어 인덕턴스를 잃습니다. 상대적으로 높은 전류에서는 포화로 인해 페라이트 비드 임피던스가 최대 90%까지 감소할 수 있습니다.

페라이트 비드와 인덕터의 비교

페라이트 비드를 인덕터로 모델링할 수 있지만, 페라이트 비드 인덕터는 일반적인 인덕터와 다르게 동작합니다. 페라이트 비드와 인덕터의 동작을 측정하여 비교하는 방법은 비드를 통해 아날로그 신호를 보내고 여러 자릿수로 주파수를 스윕하는 것입니다. 페라이트 비드의 주파수 스윕 측정치에 대한 보드 플롯을 생성해 보면, 페라이트 비드가 비슷한 저주파 동작을 보이는 인덕터에 비해 고주파수에서 더 가파른 롤오프를 보인다는 것을 알 수 있습니다.

AC 전원에 연결된 페라이트 비드를 간단하면서도 정확하게 나타낸 모델입니다.

페라이트 비드는 커패시터와 인덕터로 모델링할 수 있으며, 직렬 저항으로 연결된 이 RLC 네트워크와 병렬로 연결된 저항기로도 모델링할 수 있습니다. 직렬 저항기는 DC 전류에 대한 장치의 저항을 수치화합니다. 이 모델의 인덕터는 고주파 신호를 감쇠시키는 페라이트 비드의 주요 기능, 즉 패러데이 법칙을 통해 유도 임피던스를 제공하는 기능을 나타냅니다. 이 모델의 병렬 저항기는 고주파수에서 페라이트 비드 내에서 유도되는 와전류의 손실을 설명합니다. 마지막으로 이 모델의 커패시터는 컴포넌트의 자연적인 기생 정전 용량을 설명합니다.

페라이트 비드 임피던스 곡선을 살펴보면 1차 저항성 임피던스가 얇은 밴드에서만 매우 높다는 사실을 알 수 있습니다. 비드의 인덕턴스는 이 얇은 밴드 내에서 우세합니다. 보다 높은 주파수에서는 페라이트 비드 임피던스가 과도한 용량성을 나타내기 시작하며 임피던스가 급격히 감소합니다. 결국 주파수가 계속 증가할수록 용량성 임피던스는 매우 작은 값으로 떨어지며, 페라이트 비드 임피던스는 순전히 저항성으로 나타납니다.

페라이트 비드의 페라이트 코어는 변압기의 페라이트 코어와 유사한 기능을 제공합니다.

페라이트 비드 선택 가이드

지금까지 페라이트에 대해 알아보았습니다. 이제 장치에 알맞은 페라이트를 선택해야겠죠. 그리 어려운 일은 아닙니다. 설계에 적합한 페라이트 비드를 선택하는 방법을 알고 싶다면 비드의 사양에 유의하면 됩니다. 과연 내 설계에 페라이트 비드가 필요한지 의문이 들 수도 있으나, 수많은 엔지니어링 의사결정과 마찬가지로 결론은 그렇게 단순하지 않습니다. 특정 주파수 범위 내에서 기판에 전도성 EMI가 발생하며 이러한 주파수를 감쇠해야 한다는 사실을 이미 알고 있다면 페라이트 비드가 설계에 적합한 선택일 수 있습니다.

페라이트 비드의 유도 동작을 근거로 보면 페라이트 비드가 '고주파를 감쇠시킨다'는 결론을 내리게 되기 마련입니다. 그러나 페라이트 비드는 특정 범위의 주파수의 감쇠에만 도움이 되므로, 광대역 저주파 통과 필터처럼 작동하지 않습니다. 원하지 않는 주파수가 저항 대역에 포함된 페라이트 비드 및 초크를 선택해야 합니다. 너무 낮거나 너무 높게 선택하면 비드가 원하는 효과를 내지 못합니다.

설계의 특정 페라이트 비드를 선택하기 전에 제조업체가 페라이트 비드에 대한 임피던스 대 부하 전류 곡선을 제공할 수 있는지 확인해야 합니다. 이는 현재까지 페라이트 비드를 선택하는 방법을 잘 모르는 경우 사용할 수 있는 최상의 도구입니다. 부하 전류가 매우 높은 경우에는 원하는 주파수 범위 내에서 임피던스가 포화 및 손실되지 않고 부하 전류를 견딜 수 있는 페라이트 비드를 선택해야 합니다.

주의 사항

페라이트 비드와 페라이트 초크는 기본적으로 고주파에서 저항성 부하이므로 회로에 몇 가지 문제를 일으킬 수 있습니다. 비드 배치 시에는 전압 강하와 열 방출을 고려해야 합니다.

고전압 회로가 사용되던 때는 전압 강하가 큰 문제가 아니었습니다. 하지만 지금은 약 2V의 저전압 사용이 가능한 저전력 회로가 대세이므로, 전압 손실을 최소화해야 합니다. 페라이트 비드는 회로에서 DC 전압 강하를 일으킵니다. 사소해 보이더라도 집적 회로(IC)의 고전류 소모 상태가 짧은 경우 손실이 커질 수 있습니다. 페라이트 비드를 전압 강하 문제를 일으키지 않는 곳에 배치하세요.

페라이트 코어 재료는 고주파에서 저항성이 있으므로 기본적으로 흡수된 에너지를 열로 방출합니다. 전원 공급 라인에서 페라이트 초크를 사용하는 경우 PCB에 이 열이 반드시 문제가 되는 것은 아니지만, 고전류에서 고주파를 방산하는 데 사용한다면 문제가 될 수 있습니다. 시스템의 소음이 특히 크며 비드가 고주파수를 많이 흡수하는 경우에는 이 열이 더 큰 문제로 작용할 수 있습니다. 그러므로 반드시 비드의 방열을 고려하세요.

페라이트 비드 임피던스는 온도에 따라 변화합니다.

페라이트 비드는 그 작동 방식을 정확하게 이해하는 경우에만 유용하게 활용할 수 있습니다. 페라이트 비드는 상당히 작은 대역에서 신호를 감쇠시키며 그 효과는 온도와 부하 전류에 따라 달라진다는 점을 명심하세요. 가장 효과적으로 활용하기 위해서는 페라이트 비드가 요구되는 사양을 정확히 충족하는지 확인해야 합니다. 또한 비드를 배치할 때 전압 강하와 열을 반드시 고려하세요.

사람들은 종종 페라이트 비드의 중요성과 기능을 논합니다. 페라이트 비드나 페라이트 코어에 관한 자세한 정보는 업계 전문가 Kella Knack의 페라이트 비드에 대해 알아야 할 모든 것을 확인하세요. 

페라이트 비드는 다루기 어려울 수 있지만, 인쇄 회로 기판 설계까지 어려울 필요는 없습니다. Altium Designer^®는 최적의 기판을 구축할 수 있는 도구가 포함된 최첨단 PCB 설계 소프트웨어입니다. 전력 공급 네트워크와 같은 추가 기능도 갖추고 있어 전압 강하 및 열 방출과 같은 문제를 처리할 수 있습니다.

페라이트 비드나 페라이트 코어에 관하여 궁금한 점이 더 있으신가요? Altium의 전문가에게 문의하세요.