1. 필터개론
노이즈가 기기나 시스템으로의 결합과 대책을 등가회로로 나타내면 그림1과 같이 된다. 즉, 결합 임피던스 Zm에 의하여 입력임피던스 Zi로 노이즈전압 E가 결합하는 경우, 그림(b)와 같이 결합임피던스 ZG로 인하여 E를 감소시키며 바이패스임피던스 Zb를 부가하여 E를 흡수하는 것이 노이즈 저감대책이 된다.
필터는 코먼모드 노이즈와 노멀모드 노이즈의 저감을 목적으로 그림 2에 표시한 바와 같이 전원선이나 신호선에 발생한 전도노이즈 저감을 위하여 사용되는 경우가 많도, 전원에너지나 신호를 통과시켜 이것보다 고주파영역의 노이즈를 감쇄시키는 로우패스필터가 사용된다, 기본회로를 그림2(b)(c)에 도시하였다. 여기서 그림1(b)의 결합임피던스 ZG의 역할은 인덕턴스 L, 저항 R 이 맡고, 바이패스 임피던스 Zb에 해당하는 것이 커패시턴스 C 이다. 그림 2(b)에서는 점 G를 접지 함으로써 코먼모드 노이즈를 저감시키나 그림(c)에서는 코먼모드 노이즈의 저감은 불가능하며 노멀모드 노이즈의 저감효과만을 기대할 수밖에 없다.
실제의 필터회로에서는 그림3에 표시한 바와 같이 상호인덕턴스 결합을 만들어 코먼모드 노이즈를 저감시키고 있다, L1, L2는 코일의 자기 인덕턴스, M은 상호인덕턴스이다, 지금 코일을 같은 횟소로 양자가 완전하도록 감으면 L1 = L2 = M 이 된다. 신호전류 Is에 대해서는 L1,L2의 리액턴스 M에 의하여 상쇄되는 방향으로 작용하여 is에 대해서는 리액턴스가 "0" 이 된다.
한편 코먼모드 노이즈에 의한 전류 Ic에 대해서는 M의 작용이 역으로되기 때문에 높은 임피던스를 가한 것과 같은 결과가 되어 노이즈 성분만이 저감되게 된다, 여기서 커패시턴스 G1은 노멀모드 노이즈 저감용의 바이패스임피던스, 커패시턴스 G2는 단자 G를 통한 바이패스 임피던스가 되어 이 필터회로는 이들 양쪽의 노이즈의 저감시킬 수 있게 된다. 이 정시성을 그림 4에 표시한다. 전원주파수 60㎐에서의 감쇄는 0이다.
정시성이란 필터를 무부하로 한 상태에서의 감쇄특성으로 실제로는 부하,
노이즈원(예를 들면 전원) 및 필터의 임피던스-주파수특성이나 단자 G의 접지장소(전원측에
접속 또는 장치측에 접속)등의 문제가 있어 정시성과 같은 감쇄효과를 얻을 수
있다고 장담할 수 없다.
그림5에 전원측, 부하측의 임피던스 Zs, ZL의 전원필터의 기본회로 중 어느것을 사용하는가 하는 관계를 표시하였다. 신호나 전원의 직류, 혹은 저주파의 전류를 포화시키지 않고 흘릴 수 있는 것이 기본조건이다.
2. 필터 사용상 주의 사항
2-1 차단주파수와 감쇠량
전원이나 신호의 주파수나 노이즈의 주파수 등으로부터 차단주파수 감쇠량을 정해 회로형식이나 단수를 정할 필요가 있다. LC필터는 전원용, RC필터는 신호용으로 사용되는 경우가 많다.
2-2 응답특성
필터를 사용하면 본래의 신호에 대해서도 응답특성이 변화한다.
특히 LC 필터의 경우 
의 공진주파수를 가지며, 이점에 있어서는 필터를 통해 전송되는 신호는 필터가
없을 때보다 커지게 된다. fr이 필터에 접속된 회로의 통과대역보다 충분히 낮은
곳에 있다는 것을 확인할 필요가 있다.
2-3 소자의 내압
필터는 노이즈 저감을 위해 첨가하는 것으로 신호전압보다 상당히 높은 전압이 가해지는 것으로 보고 설계할 필요가 있다. 경우에 따라서는 보호회로가 필요하다.
2-4 인덕턴스 L로부터의 복사노이즈
L을 사용한 필터는 노이즈가 부하에 나타나는 대신에 L양단에 나타나므로 그 저감효과를 얻는 것으로 L로부터의 복사노이즈가 주위의 회로에 방해를 가할 경우가 있다. 텅상 필터회로는 케이스로 둘러싸여 쉴드되고 있다.
2-5 누설전류
그림 3의 단자 G는 케이스 또는 접지점에 접속된다. 기기를 동작시킬 때마다 교류전류가 코먼머드 커패시터를 통하여 접지점으로 흐른다. 만약, 어떤 이유에 의하여 접지가 파손되면, 이 전류는 기기에 접촉하는 사람을 통하여 흐를 수 있다. 접지점으로 흐르는 전류는 최대 3.5㎃까지 허용된다. 그러나 여러개의 기기가 파손된 접지 시스템으로 연결될 수 있으므로 각 기기의 한도를 0.5㎃로 하는 것이 바람직하다.
2-6 실장방법
AC회로 필터는 대역저지형 필터이고, 저역측의 특성은 거의 LC 정수로 결정되지만, 어느 정도까지 저지영역의 확장은 실장방법에 크게 의존하고 있다.
[표] 실장시의 주의사항
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구분 |
특징 |
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전원케이블의 외함입구에서 AC회로 필터거리를 최소로 한다. |
전원코드가 외함의 내부에 인입되어, AC회로 필터에 이르기까지의 거리가 길게 되면 필터의 입력측이 기기 내부의 노이즈의 방사원과 결합하여 필터를 바이패스한 형태로 외부로 누설되게 된다, 설계형편상 이 거리를 줄일 수 없는 경우나 필터의 입력측에 전원 스위치나 휴즈가 들어갈 경우에는 이 부분 전체를 쉴드할 필요가 있다. |
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노이즈필터 입력,출력은 확실하게 분리한다. |
AC필터 근방의 배선을 정돈하기 위해 입력, 출력선을 함께 묶으면, 수㎒대 이상의 주파수에서 커플링을 일으켜, 노이즈가 핕터를 바이패스해서 누설하게 된다. |
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노이즈필터의 어스선은 최단거리로 외함에 접속한다. |
AC회로 필터의 어스와 외함의 접속에 리스선을 사용하면, 코먼모드 제거용 라인과 어스 사이에 커패사터에 직렬로 리드선이 삽입한 것처럼 되어, 약간의 인덕턴스가 커패시터의 자기공진주파수를 저주파측으로 내리는 것이 되고, 그 이상의 주파수에서 라인 어스 사이으 임피던스를 높게 하는 결과가 된다. |
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노이즈 필터의 어스점과 외함의 접지점은 최단으로 한다. |
AC회로 필터로 사용되고 있는 라인 어스 사이의
커패시터에는 상용전원의 누설전류가 흐르면 동시에 바이패스된
노이즈전류가 흐르게 된다. |
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콘먼모드초크는 메인 트랜스에서 가능한 한 먼 곳에 위치 시킨다. |
스위칭 전원과 같이 높은 전압을 고주파에서 스위칭하고 있는 트랜스를 갖고 있는 기기에서는 트랜스 주위에 큰 자계를 방사하고 있다, 실장방법에 따라서는 AC 입력부 필터가 이 방사자계를 흡수하여 필터의 효과를 충분히 올릴 수 없는 경우가 있으므로 주의를 요한다. 일반적으로 코먼모드초크의 실장 위치에 따라 스위칭 주파수의 기본파 성분의 크기가 변한다. |
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커패시터와 커먼모드초크는 떼어 놓는다. |
코먼모드초크의 실장에 대해서는 필터를 구성하는 커패시터와의 위치관계도 중요하다, 선간 커패시터와 코먼모드초크와의 관계에 따라 노멀모드의 감쇠량이 변화한다. 안전규격으로부터도 제약을 가하지만 실장밀도를 과다하게 올려 커패시터와 초크코일을 너무 근접시켜 실장시키면 기대대로 감쇠효과를 얻을 수 없게 되기 때문에 주의가 필요하다. |
2. 필터기술
전자노이즈를 방지하는 대책기술에는 도체에 전파되는 전자노이즈방지와 공간을 전파하는 전자노이즈방지의 두가지가 있다. 두 경우 모두 필터가 대표적인 대책기술로 사용되고 있다.
필터는 인덕턴스와 커패시턴스의 조합으로 구성된다. 때로는
인덕턴스 자체도 필터라 부르기도 한다. 필터에는 전도노이즈용과 방사노이즈용이
있다. 전도노이즈용은 전원필터라고도 하며, 주로 30㎒ 이상의 높은 주파수로
사용된다고 생각해도 된다. 전자노이즈 방지에 이용하는 이러한 종류 필터의
특색은 거의 이론이 통용되지 않는다는 점이다. 전자노이즈원의 임피던스가 확실하지
않는 경우나 복수으 전자노이즈원이 있는 경우 너무나 복잡하기 때문에 해석이
불가능한 것이 사실이다. 그러나 모두가 시행착오를 거쳐 해결되는 것은 아니다.
전원필터에서는
경험적으로 3개의 주파수 대역으로 나누어 생각하면 간단한 경우가 많으나 절대적인
것은 아니다. 그림 6에 간단한 주파수의 분류를 나타냈다.
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구분 |
대책 |
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25㎒ ~ 100㎒ 帶 |
전원의 트랜스리스화에 따라 노멀모드노이즈의
감쇠가 적어짐과 더불어 전원내부 임피던스도 저하되어 스위치 투입시
돌입전류가 크게된다. 또한 전력증폭회로의 스위칭화에 따라
고주파 출력전압이 구형파로 되어 종래의 정현파에 비해 고주파성분이
많이 포함된다. |
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10㎒ ~ 150㎒ 帶 |
전원회로에 있어서의 전자노이즈의 다수는 스위칭
레귤레이터이다. 이 주파수 대역에서는 스위칭의 기본파가 포함되어
있는 경우가 많다. |
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150㎑ ~ 10㎒ 帶 |
이 주파수대역이 되면 비대칭(코먼모드) 성분대책을 생각해야 한다. 많은 시판 필터는 이 주파수대역을 대상으로 하고 있다. 그 이유는 대부분의 전자노이즈 규제는 이 주파수대역에 있기 때문이다. 150㎑ 이하의 주파수대역은 극히 한정된 해외규격에만 있다. (VDE0807) 또한 사용하기 쉬운 잡음 방지부품이나 자성재가 많이 갖추어져 있다, 이 필터에서 사용하고 있는 초크코일은 코먼모드초크라 불린다. 하나의 자성체에 복수권선을 입혀 구성한 초크로 노멀모드 성분에는 효과가 없고 코먼모드 성분에만 감쇠효과를 얻을 수 있는 특징이 있다. 이 초크에 사용하는 자성재는 전원전류의 영향을 받는 일 없이 대상으로 삼은 잡음성분에만 영향을 준다. 많은 잡음성분은 교류전원전압에 사용되는 주파수
60㎐와는 다른 상당히 높은 주파수 성분을 가지고 있다, 노멀모드
초크코일에서는 전원주파수 영향을 받으면서 그보다 훨씬 주파수가
높은 잡음의 방지를 실시해야만 한다. 커패시터는 일선과 어스사이에 삽입되기 때문에 전류가 누설하는 원인이 된다, 이 누설전류 크기에는 제한이 있다. 일반적인 1mA 이하의 제한을 지키기 위해서는 3300pF~6800pF 정도의 용량으로 해야 한다. 커패시터 용량의 부족분은 LC 곱을 유지하기 위해 인덕터를 크게하여 보충한다. 페라이트는 투자률이 크기 때문에 인덕턴스를 크게 하는 것은 어려운 일이 아니다. |
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10㎒ 이상 帶 |
10㎒ 전후를 경계로하여 잡음의 전파모양이 변한다. 10㎒ 이하에서 잡음의 전파는 주로 전원선을 전파한다고 생각하여도 크게 틀리지 않는다, 이 주파수의 전후에서 잡음의 전파는 도체의 전파에서 공간의 전파로 변화한다. 이렇게 되면 잡음대책은 전선만을 고려하면 실패하게 된다. 형광등 안정기 내부에서는 고주파회로에서 전원회로에로의
결합 등 낮은 주파수에서는 생각할 수 없었던 현상이 발생한다.
그리하여 단순한 필터회로에서의 대응이 어려워진다, 대책으로는
페라이트에 전원선을 관통 혹인 2~3회 감으면 개선이 가능한다. |
3. 코먼모드 초크코일
초크코일은 노이즈 대책상 가장 기본적인 부품의 하나이고 전자노이즈 대책에 사용되는 초크코일에는 코먼모드와 노멀모드 초크코일 2가지로 대별되지만 여기서는 코먼모드 초크코일의 인덕턴스의 개략치를 계산하는 예를 기술한다.
[예] 스위칭전원에 사용되는 필요한 인덕턴스의 계산법
- 입력전압 : AC220V
- 스위칭 주파수 : 50㎑
- 대상노이즈규게 : VDE 0871 Class B
- 트랜지스터 케이스와 GND 사이의 커패시턴스 ; 30㎊
- VCE의 파고치 : √2 ×220 =310V
트랜지스터의 오버슈트를 고려하면 500V
- 50㎑ 기본파의 레벨 ; 174-4 = 170dB㎶
- ZLISN 에 유기되는 전압은 노이즈전압이
ZLSN과 30㎊로 분압되므로 분압비는
, 단, 여기에서 1/ωC = 106㏀ - 따라서 50㎑에서의 노이즈레벨은 170-67 = 103dB㎶
- 50㎑에서의 필요한 감쇄량은 103-66 = 37dB
- 1차 Low Pass Filter(20dB/dec의 감쇄)의 차단주파수는
- 이 주파수에서 50Ω이 되는 인덕턴스는
도 억제할 수 있다. 
