[PCB EMI] 신호라인 코먼모드 초크 (89)

공통 모드 초크의 주파수 특성 측정 및 최적화

고성능 시스템에서 EMI(전자기 간섭)를 효과적으로 억제하는 것은 신뢰성 확보의 핵심입니다. 이전 글에서는 공통 모드 초크(Common Mode Choke)의 원리와 공통 모드(CM), 차동 모드(DM) 신호에 대한 선택적 필터링 특성을 살펴봤습니다. 이번 글에서는 한 단계 더 나아가, 실제 주파수 특성 측정 방법과 이를 바탕으로 최적 부품을 선택하고 설계에 반영하는 실무 중심의 내용을 다루겠습니다.

 

1. 공통 모드 초크의 측정: Z_CM과 Z_DM의 분리

공통 모드 초크는 공통 모드와 차동 모드 신호에 대해 서로 다른 임피던스를 갖습니다. 이 특성을 정확히 이해하고 계측하는 것이 설계의 출발점입니다.

1.1. 차동 모드 임피던스(Z_DM) 측정

• 측정 방법: 입력 단자를 단락 시킨 상태에서 출력 단자의 임피던스를 측정합니다.
• 특성: 차동 모드 신호는 두 권선의 자장이 상쇄되어 인덕턴스가 거의 나타나지 않으며, 임피던스는 매우 낮게 측정됩니다. 이는 신호 전달에 거의 영향을 주지 않음을 의미합니다.

1.2. 공통 모드 임피던스(Z_CM) 측정

• 측정 방법: 양쪽 단자를 서로 연결한 후 이 지점에서 임피던스를 측정합니다.
• 특성: 공통 모드 전류에 대해 두 권선의 자장이 더해지면서 높은 임피던스를 형성합니다. 특히 고주파 대역에서 노이즈 억제 효과가 극대화됩니다.

이 두 특성의 차이를 통해, 공통 모드 초크가 원하는 신호는 그대로 통과시키고, 불필요한 공통 모드 노이즈만 효과적으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있습니다.

 

2. 공통 모드 초크의 주파수 대역별 임피던스 특성

공통 모드 초크의 임피던스는 단순한 인덕터와 달리 주파수에 따라 크게 달라지며, 이를 정확히 이해하는 것이 부품 선택의 핵심입니다.

• 저주파 대역: 인덕턴스 성분이 지배적이며, 주파수가 높아질수록 임피던스도 상승합니다.
• 중간 주파수 대역 (Absorption Area): 페라이트 재질의 저항 성분이 활성화되며, 노이즈가 열로 흡수되어 효과적인 감쇠가 발생합니다.
• 고주파 대역: 기생 캐패시턴스가 영향을 미치며 임피던스가 다시 감소합니다. 이 구간에서는 별도의 고주파 대책이 병행되어야 합니다.

 

3. 공통 모드 초크의 최적화된 PCB 설계 적용

효과적인 EMI 대응을 위해 공통 모드 초크의 선택뿐 아니라, 회로 적용 방식과 레이아웃까지 함께 고려해야 합니다.

• 노이즈 대역 분석: 제거 대상이 되는 공통 모드 노이즈의 주파수와 초크의 흡수 대역이 일치해야 합니다.
• 신호 무결성 유지: 차동 신호 경로에 적용 시, Z_DM이 너무 높지 않도록 하여 신호 손실을 방지해야 합니다.
• 레이아웃 설계: 초크 주변 트레이스를 짧게 유지하고 접지를 견고하게 구성하여 기생 인덕턴스를 최소화합니다.
• 전류 용량 고려: 설계 전류보다 충분히 여유 있는 사양을 선택해 코어 포화 및 특성 변화 가능성을 줄입니다.
• 정밀한 측정과 시뮬레이션: 적용 전, 네트워크 분석기 등을 활용한 임피던스 측정과 EMI 시뮬레이션을 통해 예상 성능을 검증합니다.

 

마무리하며: 공통 모드 초크로 EMI/EMC 대응 완성

공통 모드 초크는 고속 신호가 포함된 시스템에서 공통 모드 노이즈를 선택적으로 제거하여 EMI를 억제하고 EMC 기준을 만족하는 데 중요한 역할을 합니다. 임피던스 특성의 이해, 측정, 그리고 실질적인 회로 반영까지 이어지는 이 과정은 전자기 호환성을 확보하는 실무의 핵심입니다.

이번 내용을 바탕으로, 공통 모드 초크를 보다 전략적으로 활용하고, 안정적인 PCB 설계를 구현하는 데 도움이 되길 바랍니다.