EMC 테스트를 통과하기에 가장 적합한 EMI 필터의 종류는 무엇인가요?

EMC 테스트를 통과해야 하고 새 제품이 미스터리한 EMI 원인에 의해 제한을 받고 있다면, 전체 제품을 재설계하는 것을 고려하기 시작할 것입니다. 스택업, 레이아웃/라우팅, 그리고 부품 배치는 시작하기 좋은 곳이지만, 특정 EMI 원인을 억제하기 위해 할 수 있는 일이 더 있을 수 있습니다.

디자인에 배치할 수 있는 다양한 종류의 EMI 필터가 있으며, 올바른 필터는 다양한 주파수 범위에서 EMI를 억제하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 회로는 수동 또는 능동 형태일 수 있으며, 다른 대역폭에서 다른 수준의 억제를 제공합니다. 디자인에 가장 적합한 EMI 필터 선택은 보드의 공간부터 필요한 감쇠까지 다양한 요소에 따라 달라집니다. 또한, 일부 필터는 상대적으로 광대역입니다(예: 오프앰프), 반면 다른 회로는 좁은 주파수 범위만을 대상으로 할 수 있습니다.

EMI 필터의 종류

모든 EMI 필터는 수동 필터와 능동 필터로 분류될 수 있으며, 각각은 수동 또는 능동 부품으로 구성됩니다. 더 깊이 들어가면, 이러한 다양한 유형의 필터는 특정 유형의 노이즈를 대상으로 합니다: 공통 모드 또는 차동 모드. 분명히, 이러한 회로는 EMI의 두 유형 모두를 필터링하기 위해 연쇄될 수 있습니다. EMI 문제를 수정하려고 할 때, 실패한 EMC 테스트 후를 포함하여, 필터링을 넘어서 여러 가지 해결책을 구현해야 할 수도 있습니다.

각 카테고리에 속하는 EMI 필터의 일반적인 유형을 살펴보겠습니다:

수동 EMI 필터

차동 모드 수동 EMI 필터

아마도 가장 일반적인 수동 EMI 필터는 페라이트 초크입니다. 이것은 기본적으로 몇십 MHz까지 저역 통과 필터링을 제공하는 일부 기생 용량이 있는 인덕터입니다. 이러한 부품은 공통 모드 또는 차동 모드 전도성 EMI의 필터링을 제공할 수 있습니다. 이 글을 노트북에서 읽고 있다면, 전원 코드가 입력 전원선의 고주파 노이즈를 제거하기 위해 이러한 초크 중 하나를 사용하고 있을 것입니다. PCB를 살펴보면, 필터링을 제공하기 위해 사용할 수 있는 여러 다른 회로가 있습니다.

아래 이미지는 차동 모드 수동 EMI 필터로 사용되는 LC 회로 모음을 보여줍니다. 이 필터 회로들은 물리적으로 반환 경로에 대한 단일 참조만 있기 때문에 차동 모드 회로입니다. 여기에 대한 예로는 벤치 PSU나 배터리와 같은 2선식 DC 전압으로 구동되는 장치가 있습니다. 근처에 부유하거나 접지된 섀시가 있을 수 있지만, 아래 회로에서는 직접 전류를 전도하는 데 참여하지 않으며 시스템의 나머지 부분과 완벽한 격리를 가집니다.

이 필터들 중 가장 간단한 것은 C 필터(병렬 커패시터로 연결됨)와 L 필터(직렬 인덕터로 연결됨)입니다. 이들은 광범위한 주파수에서 노이즈를 제거하기 위해 중요한 회로나 중요한 구성 요소의 입력에 배치될 수 있습니다. 더 복잡한 구성은 아래 이미지에 나와 있습니다. Pi 필터와 T 필터에 관해서는 각각 낮은 및 높은 소스/부하 임피던스와 함께 사용하는 것이 가장 좋습니다.

원하는 신호를 특정 구성 요소로 전달하면서 다른 모든 주파수를 억제해야 하는 경우, 대역 통과 필터를 구축해야 합니다. 마찬가지로, 단일 주파수(예: 안테나에서의 무작위 방출과 같은)에서 강력한 신호를 억제하고 싶을 수도 있는데, 이 경우 대역 정지 필터가 필요합니다. 회로 내의 L/C 요소의 수가 필터 번호를 결정한다는 점에 유의하세요; 더 높은 차수(즉, 연쇄된) 필터를 구축하면 통과 대역 외부에서 더 가파른 롤오프를 제공할 수 있습니다.

공통 모드 수동 EMI 필터

위의 EMI 필터 목록은 추가 참조 도체를 도입함으로써 공통 모드 필터로 구축될 수 있습니다. 잘 알려진 바와 같이, 공통 모드 전류는 외부 참조(예: 섀시 내의 금속이나 어떤 외부 도체(즉, 접지 루프를 통해))에 대한 기생 커패시턴스를 통해 유도됩니다. 공통 모드 전류는 또한 시스템의 전원선을 통해 입력될 수 있습니다. 예를 들어, 스위칭 DC 전원 공급 장치의 출력이나 AC 주 전원을 통해.

공통 모드 노이즈를 처리하기 위해 차동선에서 사용할 수 있는 세 가지 잠재적 옵션이 있습니다:

1. 선로에 직렬로 고임피던스 요소를 사용하십시오. 즉, 공통 모드 초크를 사용하십시오
2. 시스템 기준(보통 섀시 또는 지구로 돌아감)으로 저임피던스 단락 요소를 사용하십시오
3. 배치를 수정하여 정전 용량성 결합을 제거하십시오

아래 이미지는 우리가 1번과 2번 요구사항을 충족시킨 배치를 보여줍니다. 아래의 EMI 필터 회로는 AC 메인 입력이나 지구로 연결된 선이 있는 2선식 DC 입력(+V 및 DC 공통)에 적용됩니다. 이 회로는 두 개의 별도 요소를 포함합니다: 공통 모드 초크와 커패시터 한 쌍을 통한 저역통과 필터.

능동 EMI 필터

능동 필터는 수동 필터의 트랜지스터 구동 아날로그입니다. 이 필터들은 오프앰프와 수동 부품을 사용하여 원하는 대역폭에서 여과를 제공합니다. 이 필터들은 또한 상대적으로 평탄한 통과대역 또는 차단대역을 제공하는 급격한 롤오프를 가진 고차 필터로 구성될 수 있습니다. 기본 필터의 어떤 것도 오프앰프로 구축될 수 있으며, 이 필터들은 때때로 특정 응용 프로그램을 위한 SoC나 다른 전문 IC에 통합됩니다. 또한 단일 회로에서 공통 모드 및 차동 모드 노이즈를 억제하도록 구성될 수 있습니다.

예시로, 위의 스키마틱에는 공통 모드 초크와 커패시터 한 쌍이 오프앰프에 연결된 것을 볼 수 있습니다. 그런 다음 피드백 루프에 반응성 요소를 추가함으로써 증폭기의 전달 함수를 조정할 수 있지만, 이러한 유형의 활성 EMI 필터 회로의 안정성에 주의해야 합니다. 이 분야는 전자 설계 분야에서 매우 넓고 많은 교과서에서 다루고 있습니다. 이 주제에 대한 훌륭한 교과서 중 하나는 John L. Hilburn의 활성 필터 설계 매뉴얼입니다.

마이크로파 및 밀리미터파 주파수로 더 나아가기

이 영역에서의 EMI/EMC 테스트 및 규정 준수는 더 복잡하며, 설계 및 테스트되는 장치들도 마찬가지입니다. 테스트 중인 제품에서 EMI가 주요 문제인 경우, 또는 제품 내부의 EMI를 해결하기 어려운 경우, 위에서 언급한 사항들을 넘어서 고려해야 할 더 진보된 설계 선택지가 있습니다. 흡수성 컨포멀 코팅은 특히 GHz 주파수에서 보드 가장자리에서 발생하는 EMI에 대해 추가적인 격리를 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다. 독특한 격리 구조도 제품 내 다른 회로 블록 간에 방사되는 EMI를 억제하는 데 큰 도움이 될 수 있으며, 외부 EMI로부터 추가적인 격리를 제공할 수 있습니다. RF 레이아웃/라우팅, 스택업 디자인, 그리고 독특한 RF 인터커넥트 아키텍처에 대한 모범 사례는 이러한 유형의 제품에서 EMI 방출 및 수신을 억제하는 데 큰 도움이 될 것입니다.

EMI 필터, 인터커넥트 기하학, 또는 격리 기술을 사용하는 경우에는, 사전 레이아웃 및 사후 레이아웃 시뮬레이션 도구를 사용하여 신호 무결성에 미치는 영향을 시뮬레이션해야 합니다. 사전 레이아웃 SPICE 시뮬레이션은 EMI 필터 디자인을 검증하고 필터가 원하는 대역폭 내에서 적절한 수준의 감쇠를 제공하는지 확인하는 데 이상적입니다.

EMI 필터 회로를 사용해야 할 때

중요한 한 가지 포인트는 설계가 EMC 테스트를 통과하지 못할 때 어떤 조치를 취해야 하는지에 대한 것입니다. 고객으로부터 EMC 테스트 실패로 인해 설계를 다시 작업해달라는 요청을 받을 때마다, 해결책이 반드시 필터링 회로를 요구하는 것은 아닙니다. 때로는 보드와 인클로저에서의 적절한 접지 문제이거나, EMI 필터링을 추가하는 것 외에 특정 회로를 재작업하는 것이 해결책이 될 수 있습니다.

1. 레이아웃과 접지부터 시작하세요. EMC 테스트 실패를 일으키는 팬텀 EMI 문제를 수정해달라는 요청을 받을 때, 제가 먼저 살펴보는 곳은 디지털 라우팅을 위해 사용된 분할된 참조 평면과 다층 보드에서 참조 평면 간 부적절한 전환입니다.
2. 접지와 라우팅을 모두 올바르게 수행했음에도 불구하고 여전히 EMI 문제가 있다면, 문제는 새로운 EMI 필터를 추가하거나 기존 EMI 필터를 재설계하는 것일 수 있습니다. 공통 모드 노이즈의 경우, PCB로의 용량성 노이즈 커플링을 방지하기 위해 시스템을 어떻게 접지했는지 다시 고려해야 할 수도 있습니다.
3. 위의 두 단계는 주로 시스템에 들어오거나 나가는 전도성 EMI와 전도 전류에 의해 발생하는 방사성 EMI를 대상으로 합니다. EMI 필터를 사용하고 보드에 최적의 레이아웃 관행을 구현했음에도 불구하고 여전히 강한 방사성 EMI를 관찰한다면, 보드 레벨이나 인클로저 레벨에서 차폐를 추가하는 것과 같이 더 공격적인 조치가 필요할 수 있습니다.

위의 사항들을 넘어서, EMI 필터링은 일부 시스템에서 의무적일 수 있습니다. 예를 들어, 저레벨 아날로그 신호와 인터페이스하는 정밀 측정 및 제어 시스템이나 그리드에 연결되는 고전력 시스템이 있습니다. 시스템의 모든 인터페이스에 필터 회로를 추가하기 시작하기 전에 이러한 사항들과 특정 EMI 소스를 고려하십시오.

보드에 EMI 필터 설계나 보드 레벨 차폐와 같은 더 공격적인 전략을 사용하기로 결정했다면, 물리적 레이아웃을 생성하고 제조를 위해 디자인을 준비하기 위해 Altium Designer®의 디자인 도구를 사용하십시오. EDB Exporter 확장 프로그램을 사용하여 레이아웃을 Ansys 필드 솔버로 가져와 디자인의 EMI 문제를 정확히 파악할 수 있습니다. 제작 및 조립을 위해 디자인을 보낼 준비가 되었을 때, Altium 365™ 플랫폼을 사용하여 제조업체에 디자인 데이터를 쉽게 릴리스할 수 있습니다.

우리는 Altium 365에서 Altium Designer로 가능한 것들의 겉면만 긁어봤습니다. 오늘 Altium Designer + Altium 365의 무료 체험을 시작하세요.