공통 모드 인덕터의 응용 분류 및 선택

자기 부품의 가장 일반적인 형태 중 하나는 인덕턴스입니다. 인덕턴스는 일정한 인덕턴스 값을 가지며, 따라서 그 임피던스가 주파수 증가에 따라 증가합니다. 이 자체로 1차 고주파 필터로 볼 수 있습니다. 우리가 논의하고 있는 필터링 대상이 단일 전류 경로(루프 또는 회로 루프)에서 두 개 이상의 경로로 바뀌게 되면, 동일한 고주파 필터링 효과를 얻기 위해 각각의 경로에 최소한 하나 이상의 인덕터를 배치해야 합니다. 이러한 구조는 실제 자기 부품을 설계할 때 매우 간단하고도 영리하게 실현될 수 있으며, 여기서 말하는 공통 모드 코일(common mode choke)이 바로 그 예입니다. 왜냐하면 여러 개의 경로(가장 일반적으로 두 개의 경로)가 존재할 경우, 같은 방향의 전류에 의해 생성된 자속이 다른 전류 경로와 '공유'될 수 있기 때문에, 이는 추가적인 임피던스를 얻는 것과 동일하며, 이를 (자기적) 결합(magnetic coupling)이라고 부릅니다. 따라서 자기 코어 주위에 서로 결합된 두 개의 코일 권선을 감으면, 두 개의 개별 인덕터를 사용하는 경우보다 더 나은 필터링 효과를 얻을 수 있습니다.

위에서 설명한 것은 공통 모드 인덕터의 기본적인 기능적 특성인 필터링이다. 따라서 첫째로, 결합 동작이 필요한 변압기와 공통 모드 인덕터를 구분해야 한다. 필터링은 선상의 잡음을 억제(또는 흡수)하는 반면, 변압기는 전력의 대표값인 전압 여기 전류를 전달하는 것으로 차동 모드이다. 여기 방향으로 보면 공통 모드이지만, 변압기는 X 연결(입력 및 출력 회로 사이에 걸쳐 있는 연결 방식)이 필요하다. 안전 커패시터의 연결 방식과 유사하게 공통 모드 인덕터는 Y 연결(접지 회로 또는 기준 접지 회로를 통한 연결 방식)이 필요하다. 둘째로, 공통 모드 필터링 효과 자체의 평가 및 측정에는 추가 보조 회로가 필요하다. 그러나 실제 EMC(Electromagnetic Compatibility) 테스트에서는 종종 차동 모드와 공통 모드의 조합으로 인해 발생하는 수신기(LISN - Linear Impedance Stabilization Network) 신호만을 테스트하여 해당 규제 표준(예: CE 인증)에 부합하는지를 판단한다. 따라서 공통 모드 인덕턴스의 역할은 사양서에서 답을 찾기 어려운 경우가 많으며, 이는 엔지니어들이 모델 선정 시 경험에 의존하여 시뮬레이션 예측을 하는 이유이기도 하다. 마지막으로 주의 깊게 읽는 독자들은 공통 모드 인덕터가 인덕터라고 불리지만, 파워 인덕터와는 다르다는 점을 알 수 있을 것이다. 포화 전류나 에너지 저장에 대한 고려는 하지 않으며, 영문 명칭의 끝은 'choke'로 끝난다. 따라서 그 기본 의미는 여전히 '차크(choking)'이며, 이후 논의할 것처럼 바로 이러한 차크 효과 덕분에 필터링이 가능하므로 공통 모드 차크 코일(Common Mode Choke Coil)이라는 명칭이 원리에 더 부합한다.

다음 섹션에서는 공통 모드 인덕터의 기본 구조 원리, 응용 분류 및 관련 선정 방법에 대해 알아보겠습니다. 이 내용이 엔지니어로서 여러분에게 도움이 되길 바랍니다. 또한, 질문 사항이 있거나 관련 소개에 대해 논의를 원하시는 경우 저희에게 연락 주시기 바랍니다. 당사의 엔지니어링 팀은 부품 및 응용 측면에서 최대한의 지원을 제공해 드리겠습니다.

일, 자기장 결합

그림 1과 같이 전원이 인가된 코일 A는 그 자체 회로 근처 공간에 자장을 형성하며, 이는 자속 Φa(또는 →Ba)로 표현됩니다(공통 모드 인덕턴스의 자속 밀도 응용 분류 및 선정 방법). 자장의 세기는 전류의 크기, 코일의 감은 수(turns), 유효 단면적, 그리고 자성 코어의 유무에 따라 달라집니다. 코일 중심부의 자속은 대략 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

특히 코일 중심에 자성체 코어가 있는 경우 그 자도율이 클수록 상응하는 등가 자기 회로 길이는 짧을수록 자속은 필연적으로 커지게 된다. 이는 표준 인덕턴스 구조와 이에 대응하는 공간 자기 플럭스 분포이다. 주목할 점은 이 자기 플럭스 분포는 전류 변화에 따라 영향을 받지 않으며 항등 관계라는 것이다. 이의 본질은 맥스웰 전자기 방정식 중 가우스 자기장 법칙에서 유래한다.

그림 1. 코일 A 및 B의 공간 자기장 분포

공간 내에서 다른 코일 B가 도 1과 같이 일정한 위치 관계로 전류가 흐르고 있는 코일 A에 접근하면, 코일 A에 의해 생성된 자기 선속은 필연적으로 코일 B를 통과하게 되며, 이는 공유 관계를 형성하게 된다. 앙페르의 법칙에 따르면, 코일 B에 둘러싸인 폐회로 내의 자기 선속이 변화할 때 코일 B의 회로에는 기전력(유도 전압)이 유도된다. 예상할 수 있듯이, 만약 코일 B가 개방된 전도성 코일이라면 폐회로 전류는 형성되지 않으며, 오직 코일 양단에만 유도 전압이 발생한다. 이때 회로에 전류가 존재하지 않기 때문에 해당 공간에 자기장도 자연스럽게 생성되지 않는다. 그러나 코일 B가 폐쇄된 회로라면 반드시 회로 전류(즉 유도 전류)가 발생하게 된다. 동시에 유도 전류가 존재하기 때문에 반대 방향의 공간 자기장 분포가 형성된다. 코일 B와 코일 A의 공간적 관계에 따라 코일 A는 필연적으로 코일 B의 자기 선속 분포를 공유하게 된다. 그렇다면 이러한 상호 유도 현상의 최종 결과는 어떻게 될까? 분명히 코일 A에 일정한 전류만 흐르고 있다면, 고정된 위치에서 코일 B가 공유하는 자기 선속의 변화는 느껴지지 않을 것이다. 따라서 상호 유도 현상이 발생하려면 코일 A에 변화하는 전류(예: 교류)가 흐를 때만 가능하다. 일대일 상황(한 코일이 다른 코일과 짝을 이루는 경우만 고려함)에서 유도 전류는 항상 자기 선속 변화를 상쇄시키는 방향으로 작용한다. 따라서 코일 B가 코일 A에 미치는 영향은 코일 A에서 코일 B로 공유되는 자기 선속 변화를 정확히 상쇄시킨다. 두 코일 간 공유되는 자기 선속은 변화량이 서로 상쇄되게 된다.

고정된 위치에서의 자기장 결합(전동기 또는 발전기와는 다름)은 교류 조건에서 공유된 자속에 의해 서로 다른 코일 간의 상호작용을 설명합니다. 전력 변환 또는 신호 절연을 위한 변압기이거나, 전류 보상용 커먼모드 인덕터일 때, 이는 자기장 결합의 예로 볼 수 있습니다. 커먼모드 인덕터를 설계하거나 제작할 때 항상 피할 수 없는 질문이 있습니다: 두 코일이 요구사항을 충족하기 위해 반드시 보장해야 하는 파라미터는 무엇인가? 또는 전류 및 단측 인덕턴스 외에도 두 코일 간 관계를 고려할 때 필요한 요구사항은 무엇인가? 일반적인 파라미터 요구사항으로는 양쪽의 감도 오차가 충분히 작아야 한다는 것, 또는 때로는 결합 계수가 높은 수준(예: 98%)에 도달해야 한다는 것이 있습니다. 이는 전류 보상형 커먼모드 인덕터에서 누설 인덕턴스가 과도하게 크면 차동 모드 신호에 상당한 영향을 미치기 때문입니다. 불필요한 차동 모드 임피던스를 유발하여 신호 감쇠 또는 차동 모드 대역폭 축소를 초래하거나, 코어 포화 현상을 일으켜 커먼모드 노이즈 억제에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 자기장 결합의 결합 계수를 적절히 제어하는 것이 필요합니다.

두 개의 코일 사이에서 결합 매질(자기 코어)을 통해 자계 결합이 발생하고, 이때 자기 투과율이 균일한 상태라면, 코일 A에서 코일 B로 공유되는 지정된 자기 선속은 반대로 다음 식과 같습니다. 그러면 공유된 자기 선속(자계 결합)은 상호 인덕턴스에 해당하므로, 각각 공통 모드 인덕터의 응용 분류 및 선택과 관련된 정의를 내릴 수 있습니다. 및  : 

유도 코일 단부에서 전체 공유된 자기 선속은 연결선(LINKAGE, )으로 알려져 있으며, 다음과 같은 관계식으로 표현될 수 있습니다. 이는 자기 선속 밀도 기반의 값과 관련되어 있고, 자기 벡터와도 관련되어 있으며, 위치에 따라 달라집니다:

코일 A가 코일 B 상의 각 점에서 분포시키는 자기 벡터 위치는(공통 모드 인덕터의 중심 간 거리에 따른 평균 적용 분류 및 선택 사례에서) 입니다.

코일 A와 코일 B 사이의 자속 연쇄는 다음과 같이 구할 수 있다:

따라서, 상호 인덕턴스 코일 B에 의해 코일 A에 작용하는 것은 다음과 같다:

동일한 원리는 다음을 구하는 데 적용될 수 있다. 다음과 같은 표현식:

앞에서 언급했듯이, 두 개의 코일 사이에서는 균일한 자도율을 갖는 결합 매질(자기 코어)을 통해 자기장 결합이 발생한다. 따라서 , 분명히:

위의 설명은 동일한 자기 코어 위에 감은 두 개의 코일은 M으로 표시되는 동일한 상호 인덕턴스 값을 가진다는 것을 나타낸다. 상세한 증명 과정은 노이만 공식(Neumann's formula)을 참조할 수 있다. 이제 코일 A의 총 자속이 공유된 부분 비율 , 즉 . 마찬가지로, 코일 B의 공유 계수는 , 다음이 성립한다:

따라서, 두 코일 간의 상호 인덕턴스와 그들의 개별 인덕턴스 간의 관계는 위의 식 관계를 통해 구할 수 있다:

위 식은 자기장 결합 계수 k의 유래이다: 실제 커먼모드 인덕터의 경우, 두 코일 권선의 인덕턴스 값을 개별적으로 측정함으로써(다른 코일은 개방 상태 유지), 누설 인덕턴스(다른 코일은 단락 상태 유지) 및 상호 인덕턴스와 결합 계수 k의 해당 값들을 구할 수 있다. ). 특히, 고투자율 링형 자심(예: MnZn 페라이트 링 자심)에 감겨 있는 매우 대칭적인 커먼모드 인덕터의 경우, 두 권선의 인덕턴스 값은 매우 근접하며, 누설 인덕턴스의 크기는 거의 . 결합 계수가 높을수록 누설 인덕턴스가 낮음을 알 수 있다.

2. 공통 모드 인덕터의 적용

이 글 서두에서 언급했듯이, 공통 모드 인덕터는 단지 두 개의 전류 회로에 동시에 연결된 인덕터일 뿐이다. 이 인덕터의 기능은 두 전류 회로 모두에 존재할 수 있는 공통 모드 노이즈를 억제하거나 감쇠시키는 것이다. 그러나 이러한 두 개의 병렬 전류 회로는 L 및 N 전원선 쌍과 같은 차동 회로를 구성하는 경우에만 한정되지 않으며, 데이터 라인 포트의 D+ 및 D- 선로도 포함된다. 공통 모드 노이즈가 발생함에 따라 동일한 접지를 공유하는 전송선 사이에서 공통 모드 노이즈 억제가 요구될 수도 있다.

공통 모드 인덕턴스의 적용을 판단하기 위해서는 먼저 공통 모드 노이즈가 발생하는 원리를 이해해야 한다. 그림 2에 표시된 Infineon의 60W 스위칭 전원 공급 장치에 대한 회로 설계 예(Demo_5QSAG_60W1)를 보면, 입력 단자는 85~300VAC의 교류 주전원 입력이며, 전원 포트의 배선 L 및 N은 기준 접지와 공통 접지를 형성한다. 실제로 이 기준 접지에는 녹색 접지선(Green Line)도 연결되어 있으며, 이는 물리적 접지에 연결된다. 여기서 L 선과 N 선은 전원 회로를 구성하며 플라이백(Flyback) 트랜스의 1차 측에 걸쳐 연결된다. 주 전원 스위치 소자인 Q11의 사양으로 800V 슈퍼 정션 MOS 트랜지스터인 IPA80R600P7가 사용되며, 최대 Rds(on) 허용치는 600mΩ이다. 발열을 제한하기 위해 방열 수단으로 알루미늄 방열 핀 같은 매질을 일반적으로 본체 외부에 부착하게 되는데, 이는 고전압 핀에서 접지까지의 부유 용량을 증가시키고, 용량 결합(capacitive coupling)을 형성하여 고전압 고주파 입력 단자 전압을 노이즈 특성을 갖는 전위로 결합시킨다. 입력 단자의 L 선과 N 선은 기준 접지를 통해 이러한 전위를 다시 받게 되며, 이로 인해 공통 모드 노이즈 소스가 형성된다. 용량 결합은 EMC 시험에서 전도 시험(conduction test)이 직면해야 하는 주요 공통 모드 노이즈 소스로서, AC-DC를 주 형태로 하고 다양한 토폴로지 구조를 가진 여러 전원 장치들에 널리 존재한다. 동시에 변압기의 1차 및 2차 측에는 실제로 다수의 미세 전류 회로들이 존재하며, 각각의 미세 전류 회로는 유도 결합(inductive coupling)의 노이즈 전류 또한 증가시키며, 예측하기 어려운 공통 모드 노이즈 또는 차동 모드 노이즈를 야기한다. 따라서 이는 EMC 정정 대책에 많은 불확실성을 가져오며, 전자기 호환성(EMC) 시뮬레이션을 위한 소프트웨어 도구가 여전히 한계를 보이는 이유이기도 하다.

그림 2. EMI 대응 전략 구성 요소의 예 (인피니언 DEMO_5QSAG_60W1)

공통 모드 노이즈의 크기를 추정하기 위해서는 일반적으로 공통 모드 노이즈 회로상의 부도체 커패시턴스(stray capacitance)를 가정하는 것이 필요하며, 이는 보통 수십 pF 범위에 속합니다. 그림 2에 나타낸 예에서 부도체 커패시턴스가 20pF라고 가정할 때, 입력 전원이 230Vac이고 주전원 스위치 트랜지스터의 스위칭 주파수가 200KHz이며, 켜짐 및 꺼짐의 총 펄스 폭이 1 µs이고 상승 및 하강 에지가 각각 0.2 µs일 경우, 입력 단자에서의 최대 전압은 , 스위치를 통해 AC 입력의 듀티 사이클은 이다. 스펙트럼 밀도 분포에서 첫 번째 코너 주파수(corner frequency)는:

스펙트럼 밀도 분포에서 첫 번째 피크(1차 고조파, 1st harmonic)에서의 해당 전압은:

공통 모드 잡음이 존재하는 회로에서 공통 모드 인덕터를 연결하지 않은 상태에서는 직렬 등가 임피던스(와이어 저항, 부도수 인덕턴스 등)를 무시함으로써 최대 공통 모드 전류를 추정할 수 있으며, 이는 그림 3에 나와 있는 바와 같습니다. LISN(선형 임피던스 안정화 네트워크)에 연결되었을 때, 공통 모드 전류의 크기는 다음과 같습니다.

따라서, LISN 포트에서 전도 시험 수신기(스펙트럼 분석기)가 수신하는 공통 모드 잡음 전압 진폭은 다음과 같습니다.

시험 수신기를 통해 실제로 검출되는 결과는 다음과 같습니다.

즉, 공통 모드 잡음과 차동 모드 잡음의 진폭이 중첩되지만, 분명히 공통 모드 성분만 억제해도 최종 시험 결과는 개선됩니다. 따라서 예를 들어 일반적인 통신 및 산업용 애플리케이션을 위한 EMC 표준 EN55022에서는 150kHz에서 500kHz 범위 내에서 진폭 QP가 다음 값보다 낮아야 합니다. 150KHz에서 500KHz 범위 내에서. 따라서 최대 여기서 공통 모드 노이즈의 감쇠가 수행되어야 한다. 감쇠 목표값으로 -20dB를 예로 들어 간단한 계산을 통해 공통 모드 회로 내 주요 임피던스는 약 25KΩ인 부동용량의 임피던스임을 알 수 있다. 그림 4에 나타낸 바와 같이, 요구되는 해당 공통 모드 임피던스는 약 250KΩ이며 이는 125mH 공통 모드 인덕터로 변환될 수 있다.

그림 3 EMC 테스트에서 전도 테스트 개요도(공통 모드 노이즈 및 차동 모드 신호의 회로도)

그림 4 필터 삽입 손실 회로(좌측)와 상응하는 감쇠 진폭 및 필터 임피던스(우측) 간의 관계

전원 라인에서의 공통 모드 인덕터 응용 외에도, 고속 신호 라인(예: USB 3.0, HDMI, LAN 등) 또는 CAN BUS, SPI, RS232, RS485 등의 LVDS 신호 라인에도 공통 모드 인덕터가 일반적으로 사용됩니다. 신호 라인에 공통 모드 인덕터를 사용하는 것은 공통 모드 노이즈 억제 기능을 수행하며, 특정 통신 규격에서 요구되는 공통 모드 제거 비율(CMRR)을 충족시키는 데에도 기여합니다. 그러나 보다 중요한 점은 앞서 언급한 바와 같이 이에 수반되는 전류 보상 효과 때문인데, 바로 이러한 전류 보상형 공통 모드 인덕터의 특성입니다.

그림.5에 표시된 바와 같이 고속 신호 라인은 일반적으로 신호 전송에 차동 전송 방식을 사용한다. 신호 라인에는 저항, 부산 정전용량 및 분포 인덕터가 존재한다. 쌍꼬임선은 부산 정전용량을 효과적으로 줄일 수 있으나, 분포 인덕터는 제거할 수 없다. 따라서 수신부 측에는 차동 입력 인덕턴스가 존재하며, 선로 상의 결합 전류는 신호 그래프 상에서 잡음을 형성하게 된다. 이러한 잡음들은 전송선의 대칭성에 기반하여 수신기 양단에 거의 균등하게 분포된다. 이제 수신기 입력 위치에 공통 모드 인덕터(Common Mode Inductor)를 배치함으로써, 거의 동일한 양의 잡음은 공통 모드 인덕터의 권선 결합을 통해 상쇄되어 결합 잡음이 크게 감소하게 된다. 즉, 전류 보상 효과를 통해 수신기의 입력 잡음을 줄이는 것이다.

그림 6. 송신단에서 수신단으로 전송선을 따라 차동 신호가 전송되는 과정(좌측)과 수신단에서 공통 모드 인덕터를 사용함으로써 개선된 결과(우측)

신호의 아이 다이어그램에서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 배선 기생 인덕턴스로 인한 삽입 손실을 줄임으로써 신호 대 잡음비(SNR)를 개선할 수 있으며 이는 긴 전송선로 또는 고속 신호선로에서 특히 중요하다. 일반적으로 상기 신호 포트에 사용되는 전송선로는 흔히 90~120Ω 임피던스 특성을 갖는다. 특정 신호 대역폭 요구사항에 따라, 공통 모드 인덕터의 임피던스는 보통 1~10배 범위 내에서 선택하여 -6dB에서 -20dB의 공통 모드 억제 성능을 제공한다. 이는 앞서 언급한 전원 어플리케이션과 유사하게 공통 모드 노이즈 회로의 임피던스 크기에 따라 달라진다. 물론 주파수가 증가함에 따라(고속 신호 전송 요구조건으로 인해), 시스템의 공통 모드 임피던스는 감소하며 과도한 인덕턴스를 제공하는 것은 필터 대역폭을 좁아지게 한다. 따라서 선택된 인덕턴스 값이 고속 신호 전송 요구사항과 적합한지 검증하는 것이 필요하다.

그림 6. 차동 전송 라인에서 선로 삽입 손실에 의해 신호 품질이 영향을 받는 개념도

3. 공통 모드 노이즈의 해로움

그렇다면 공통 모드 노이즈(comma noise)의 문제점은 무엇일까요? 왜 EMC 테스트에서 회로의 공통 모드 노이즈 억제에 주목해야 할 경우가 많을까요? 물론 다양한 국가의 EMC 인증 기준을 충족하기 위해서는 공통 모드 및 차동 모드 신호의 진폭을 제한하고, 제품의 안전성을 확보하며, 전력 소비 측면에서 전기 장비가 전력망이나 주변 장치에 미칠 수 있는 잠재적 피해를 줄이는 것이 필요합니다. 또한 전원 무결성(power integrity)과 신호 무결성(signal integrity)의 관점에서 대부분의 전기 장비와 가전제품 컨트롤러는 저전압에서 작동하므로 추가적인 잡음 전압(noise voltage)으로 인해 제어 신호나 전송 데이터에 이상이 발생할 수 있으며, 심지어 오류나 다운타임이 생길 수도 있습니다. 이러한 비정상적인 간섭은 회로 기판 자체에서 발생하는 노이즈 RF 간섭(RF interference) 때문일 수 있으며, 예를 들어 모바일 기기의 연결 끊김 현상이나 방송 잡음의 휘파람 소리 등이 이에 해당합니다. 마지막으로 과도한 공통 모드 노이즈는 대형 공통 모드 회로나 안테나와 유사한 도체를 통해 고주파 복사 형태로 공간에 방출될 가능성이 높으며, 이는 인간이 쉽게 인지하지 못하는 장기적인 건강 위험을 초래할 수 있습니다.

문제를 간소화하기 위해, 우리는 전송 선로를 헤르츠 자기 쌍으로 등가화하고 그림 7과 같은 공통 모드 잡음 복사 모델을 얻습니다. 측정 지점과 공통 모드 전송선로 중심 위치 사이의 거리는 d이며, 이는 일반적으로 회로 크기보다 매우 크므로 이는 원역장(Far-field) 측정 지점입니다. 따라서 안테나의 원역장 복사에 있어서 그 장세기는 다음과 같습니다.

그중에서 복사 파장에 해당하는 위상 상수이며, 측정 위치들 간의 간격이며, 안테나 복사 패턴에서 θ도만큼 벗어난 평면 각도이며, 헤르츠 자기 쌍에 대해서는 , 그리고 , 이는 안테나 종류에 따라 달라집니다. 원거리에서 수신되는 복사는 각각 의 각도에서 작용하는 두 개의 공통 모드 선로의 동시 작용이므로 다음이 성립합니다.

공통 모드 잡음의 경우, 그림 7에 나타낸 바와 같이: 및 측정 지점에서 최대 복사는 다음과 같이 구해집니다.

선간 거리 s가 충분히 작을 때 따라서 다음과 같이 간소화할 수 있습니다.

따라서, 공통 모드 복사의 세기는 공통 모드 전송선의 길이에 비례하며 거리가 증가함에 따라 감소합니다. 이 진폭의 크기 예시를 들어보면, 공통 모드 전송선 길이가 1미터이고 공통 모드 전류 진폭이 7.96 µA인 경우, 이는 FCC Class B 기준으로 30MHz에서 3미터 거리에서 수행한 시험과 상응하며 복사 세기는 다음과 같습니다.

이 세기는 정확히 규격 한계치입니다. 3미터 테스트 지점에 1미터 길이의 도체 또는 사람이 존재한다면 100 µV의 전압을 느끼게 됩니다. 장기간 이러한 환경에 노출될 경우 인체 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있으며 누적된 복사는 다양한 만성 질환 또는 개인별 병변을 유발할 수 있으므로 EMC 인증은 매우 중요합니다.

그림 7 공통 모드 잡음의 복사 모델 및 테스트 포인트 다이어그램

대부분의 스위칭 회로에서 발생하는 파형 구조는 사다리꼴 파형으로 분류할 수 있으며, 그 주파수 스펙트럼은 두 단계의 감속 구간을 나타냅니다. 에 고조파 레벨의 증가와 함께 증가합니다. 노드들은 첫 번째 각주파수 및 상승 에지 시간 각주파수입니다. 위에서 언급한 공통 모드의 복사 강도 주파수 스펙트럼은 주파수가 증가함에 따라 명확하게 증가하는 것을 보여줍니다. . 따라서 일반적인 스위칭 전원 장치 및 사각파 신호 회로의 경우, 공통 모드 복사 스펙트럼은 대략 그림 8과 같이 처음에는 증가했다가 이후 감소하는 분포 특성을 나타낼 것입니다. 따라서 중간 구간은 특별히 제어하거나 억제해야 하는 부분입니다.

그림 8 일반적인 사다리꼴 파형에 해당하는 공통 모드 잡음 복사 강도 분포

4. 공통 모드 인덕터 선정

전원 라인의 경우, 공통 모드 노이즈의 발생 원인은 상대적으로 명확하지만, 잡다한 요인들은 계측기로 측정하기 어렵습니다. 대부분의 경우, 테스트 후 분석을 통해 결과를 점차 근사화하므로 축적된 경험이 매우 중요합니다. 본문 제2장에서 공통 모드 인덕터의 적용 사례를 소개할 때도 언급했듯이, 공통 모드 노이즈의 진폭에 대한 이론적 추정과 이에 대응하는 공통 모드 인덕터의 인덕턴스 요구사항은 초기 실험을 시작하는 데 있어 중요한 기준이 됩니다.

일반적으로 AC-DC 전원 입력의 필터링 단계에서 사용되는 공통 모드 인덕터는 자기 코어로 폐자로 자기환을 채택한다. 이 방식의 장점은 매우 낮은 누설 인덕턴스와 매우 높은 결합 계수를 쉽게 달성할 수 있다는 점이다. 고입력 전압 및 상대적으로 낮은 스위칭 주파수에서는 우수한 고주파 공통 모드 임피던스를 제공하여 높은 진폭의 공통 모드 노이즈를 억제할 수 있다. 이는 자성 물질의 자도율이 유도 성분과 손실 성분으로 구분될 수 있기 때문이다. 자성 코어가 가장 높은 임피던스 특성점을 접근하거나 초과할 때, 손실 성분이 임피던스의 주요 부분을 차지하게 됩니다. 이때에는 유도 임피던스를 통해 소음 진폭을 줄이는 방식이 아닌, 손실에 의한 발열을 통해 소음 에너지를 흡수함으로써 소음을 억제합니다. 따라서 적절한 포화 정도(과도한 포화는 임피던스 감소를 초래함)는 소음 억제 효과에 영향을 미치지 않으므로, 전력 인덕터에서와 같은 포화 전류 파라미터를 찾을 필요가 없습니다.

공통 모드 인덕터를 선택할 때, 만약 누설 인덕턴스 부분이 99%의 결합 계수를 갖는 1mH 인덕턴스와 같다면 차동 회로에 10uH의 누설 인덕턴스가 존재하게 됩니다. 차동 모드 노이즈 억제(일반적으로 LC 필터 브리지)를 고려할 때 이 누설 인덕턴스 부분 역시 고려해야 합니다. 적절한 누설 인덕턴스는 고주파 차동 모드 노이즈 억제에 도움이 되지만 공통 모드 인덕터는 주로 자기 폐쇄 코어를 사용하기 때문에 고전류에서 코어 포화가 발생하기 쉬우며 이는 전력 변환 효율과 필터링 노이즈 대역폭에 영향을 미칩니다. 누설 인덕턴스 비율 개선은 일반적으로 UU 자성 코어 또는 PQ 자성 코어 등의 사각형 또는 프레임 자성 코어 구조를 사용하거나 비대칭 권선 구조를 적용함으로써 달성될 수 있습니다. ). 특정 선택은 사용자가 차동 모드 및 공통 모드 분리기 식별 테스트를 통해 필요 여부를 결정해야 합니다.

공통 모드 인덕턴스의 파라미터에는 주로 단일 측 인덕턴스 값, Rdc, 정격 전류, 정격 전압 및 내전압(Hi-pot)이 포함됩니다. 단측 인덕턴스 값은 공통 모드 임피던스의 크기를 주로 결정합니다. Rdc는 도체의 직류 손실로서, 이 손실에 의한 온도 상승가 정격 전류 한계를 생성합니다. 마지막으로 고전압 라인에서 사용되기 때문에 전압 한계 및 안전 요구사항이 별도로 표시됩니다. 그러나 사용자들은 필터링 효과를 평가하는 것을 선호하므로 일반적으로 사양서에는 두 가지 형태의 임피던스 특성 곡선이 제공됩니다. 하나는 그림 9-a에 나타낸 공통 모드/차동 모드 임피던스 형태이고, 다른 하나는 그림 9-b에 나타낸 삽입 손실(dB) 형태입니다. 이 두 가지 형태는 동등하며, 삽입 손실(dB) 형태 곡선은 공통 모드/차동 모드 임피던스를 50Ω+50Ω 시스템으로 변환하여 형성된 곡선입니다.

그림.9 (a) 공통 모드/차동 모드 임피던스 형태 (b) 삽입 손실 dB 형태

동일한 공통 모드 시리즈에서 다양한 크기의 패키징 구조는 서로 다른 전류 크기 및 필터링 대역폭에 적합합니다: 크기가 클수록 자심의 자저항이 낮아져 감을 수 있는 권선 수를 줄일 수 있고, 이로 인해 구리선의 선경을 굵게 하여 더 큰 전류를 허용할 수 있습니다. 또한 유도 계수가 높거나 소재의 투자율이 안정된 주파수가 낮을수록 적용 가능한 필터링 대역폭은 더 좁아지며, 이러한 공통 모드 인덕터를 회로에 배치하더라도 고주파 대역의 잡음 억제 효과가 없을 가능성이 있습니다.

Codaca 일반 모드 인덕터는 현재 주로 신호선과 전원선의 두 부분으로 나뉘어집니다. 10개 이상의 시리즈와 50가지 다른 크기의 패키지, 그리고 약 300가지의 다양한 표준 부품 번호가 있습니다. CAN BUS, RS485 등의 신호선 및 몇 와트에서 수 킬로와트에 이르는 다양한 오프라인 전원 장치에 널리 사용되고 있습니다. 당사의 R&D 기술팀은 사용자가 테스트부터 분석까지 진행하거나 사양을 맞춤화하여 관련 EMC 인증을 최종적으로 완료할 수 있도록 도와줄 수 있습니다.

참고문헌

[1] Infineon Technologies AG. Engineering_report_DEMO_5QSAG_60W1-AN-v01_00-EN.pdf. www.infineon.com

[2] CODACA 인덕터 제품 정보： www.codaca.com

[3] Clayton R.Paul. 전자기 호환성 입문. 제2판. Wiley-interscience.

[4] Bhag Singh Guru 및 Huseyin R. Hiziroglu. 전자기장 이론의 기초. 제2판. Cambridge University Press.

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