PCB에서 올바른 아날로그 필터 설계로 노이즈와 EMI를 억제하세요

전자 산업은 더 작은 PCB와 장치에 더 많은 기능을 집약시키고 있으며, 장치들은 더 낮은 전력과 더 높은 주파수에서 작동하고 있습니다. 작동 주파수가 상승하고 신호 레벨이 하락함에 따라, 노이즈 억제는 더욱 중요해지며, 이는 PCB 설계에서 EMI 필터를 통해 노이즈를 관리할 수 있게 됩니다. PCB 설계에 필터링을 추가하면 큰 떠돌이 자기장이 있는 EMI에 취약한 환경과 저전력 RF 응용 프로그램에서 신호 무결성을 향상시킬 수 있습니다.

산업 표준은 심지어 귀하의 장치가 노이즈 억제, EMI 필터 및 EMC 필터 기능을 포함하도록 요구합니다. 전도 방출 표준을 충족하기 위해, 150 kHz에서 30 MHz까지의 주파수에서 EMI 노이즈를 억제해야 합니다. 일부 제품은 더 엄격한 표준을 가지고 있으며, 하한선은 9 kHz에서 시작합니다. IoT 응용 프로그램은 데이터 및 신호 무결성을 유지하기 위해 1 MHz에서 리플 필터링을 요구합니다.

능동 필터 대 수동 필터

제가 처음 PCB 설계를 했던 것은 외부 저주파 신호를 측정하는 장치를 만드는 것이었습니다. 첫 시도에서는 측정값이 꽤 일관될 것으로 예상했지만, 대신에 데이터 포인트의 혼란스러운 무더기를 얻었습니다. 곧, 문제의 원인을 찾았습니다: 제 저품질 전원 공급 장치가 상당한 노이즈를 동반한 전압을 출력했습니다. 큰 전원 공급 장치 업그레이드에 돈을 쓰기보다는, 저는 내 프린트 회로 기판에 직접 EMI 노이즈 필터를 설계함으로써 이 문제를 해결할 수 있었습니다.

소음 억제와 EMI 감소를 위한 최고의 설계 기법을 모두 따랐다 하더라도, 설계가 여전히 소음에 취약할 수 있습니다. 신호 무결성을 더욱 향상시키기 위해, EMI 필터와 EMC를 줄이는 데에 활성 및 수동 필터링 방법을 사용할 수 있습니다. 인쇄 회로 기판에 사용될 필터를 선택하기 전에, 항상 필터 설계를 테스트하고 필터가 PCB에 적용 가능한 소음 감소 및 전자기 간섭 표준을 충족하는지 확인하세요.

수동 필터는 표준 전자 부품의 임피던스를 사용하여 특정 주파수에서 회로의 소음을 방지합니다. 활성 필터는 증폭기나 트랜지스터와 같은 전원이 연결된 부품과 수동 필터링 구성 요소를 결합합니다. 활성 필터는 작은 발자국을 가진 표면 장착 장치로도 패키징될 수 있습니다.

EMI PCB 필터 설계나 소음 억제를 생성하기 전에, 신호에서 필터링하려는 주파수 대역에 대해 알아야 합니다.

마이크로파 애플리케이션용으로 설계된 PCB

활성 필터의 간단한 예로는 1차 저역 통과 활성 필터가 있습니다. 저역 통과 RC 필터를 비반전 연산 증폭기에 연결할 수 있습니다. 이 구성은 대역 통과 필터나 고역 통과 필터에도 적용할 수 있습니다. 2차 활성 필터는 더 복잡한 설계를 가지고 있습니다. 3차 이상의 필터는 여러 개의 1차 및 2차 필터를 직렬로 연결하여 쉽게 구성할 수 있으며, 이러한 필터는 필터링 대역 가장자리에서 더 가파른 차단을 제공합니다.

활성 필터를 사용하는 주요 장점은 제공할 수 있는 이득입니다. 반전 입력에 피드백과 풀다운 저항을 포함시켜 증폭을 적용할 수 있습니다.

오프앰프 IC의 작은 발자국은 PCB 레이아웃에 강력한 필터를 배치할 수 있게 해주며, 다른 구성 요소를 위한 충분한 여유 공간을 남겨둡니다. 활성 필터의 단점은 오프앰프가 고주파에서 높은 감쇠를 가지며, 활성 필터는 저주파 응용 분야에서만 사용할 수 있다는 것입니다.

수동 마이크로스트립 필터

마이크로스트립 트레이스는 PCB에 직접 내장된 수동 필터를 구축하는 데 사용할 수 있습니다. 중심 주파수와 대역폭은 마이크로스트립의 기하학적 형태에 기반하여 조정될 수 있습니다. 이 필터들은 제조하기 쉽지만, 다른 수동 필터보다 더 큰 발자국을 가지는 경향이 있습니다.

이러한 필터를 분석하는 것도 상당히 간단합니다. 그들의 기하학적 형태로 인해 인덕터와 커패시터의 회로로 모델링될 수 있기 때문입니다. 회로 분석이 당신에게 자연스러운 일이라면, 이러한 필터들은 빠르게 등가 회로로 간소화될 수 있으며, 수작업으로 필터링 속성에 대한 공식을 알아낼 수 있습니다.

다양한 마이크로스트립 기하학적 형태와 레이아웃은 대역통과, 저역통과 또는 고역통과 필터로 기능할 수 있습니다. 진정한 고역통과 필터는 분산 마이크로스트립 요소를 사용하여 제작하기 매우 어렵습니다. 고역통과 필터를 형성하는 한 가지 방법은 매우 높은 대역폭과 상한 절단 주파수를 가진 대역통과 설계를 사용하는 것입니다. 고주파 동작이 분석될 때 고역통과 토폴로지를 가진 것처럼 보이는 필터들은 대역통과 필터로 밝혀집니다.

전원 공급 필터

DC 전원 공급장치는 일반적으로 정류 회로와 평활 커패시터를 사용하여 AC를 DC 전원으로 변환합니다. 전원 공급장치 출력에는 내장된 필터링이 포함되어 있더라도 일부 잔류 리플 전압이 포함될 수 있습니다. 잔류 리플 전압은 간단한 수동 전원 공급 필터를 설계함으로써 억제될 수 있습니다.

선형 조정기는 전원 공급 장치에서 저주파 리플 전압의 대부분을 억제할 수 있지만, 약 10kHz 이상의 노이즈 성분에 대해서는 효과가 떨어집니다. 100kHz 범위의 더 높은 주파수 성분은 LC 필터로 억제할 수 있습니다. MHz 범위의 더 높은 주파수 성분은 IC들 사이에 바이패스 커패시터를 배치함으로써 달성할 수 있습니다.

적절한 전압 요구 사항을 염두에 두면 통합 EMI 필터 관리에 도움이 됩니다.

IoT 장치에서는 1MHz까지의 전압 리플과 그 고차 하모닉스를 필터링하는 것이 중요합니다. IoT 장치에서 데이터 전송 중에는 데이터가 1MHz 신호로 인코딩되는 기저대역 모듈로 전송됩니다. 이 1MHz 신호는 RF 송신기 모듈에서 반송 신호와 혼합됩니다. MHz 주파수까지의 전압 리플과 노이즈를 제거하면 무선 전송 중 신호 및 데이터 무결성을 유지할 수 있습니다.

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