Shielding & Noise Filter 의 이해 2. Shielding & Noise Filter 의 이해 김 철 수김 철 수

2 AC 용 DC 용 1.1 Capacitor 1. 노이즈 대책부품

3 Common Mode COIL Differential Mode COIL AC 용 DC, Signal 1. 노이즈 대책부품 1.2 Coil

4 1.3 Radiated Emission Filter, Core Tape, Gaskets Mesh, Paint, Cable 1. 노이즈 대책부품

5 Shielding & Filtering 차폐와 필터링 노이즈발생 전도 : 30MHz 이하 전도방사 : 300MHz 이하 방사 : 30MHz 이상 필터

6 2. Shielding 1) 전자기장 복사되는 전자기장의 특성 : 복사 신호원의 특성, 신호원 주위의 매질 및 신호원과 관찰점 사이의 거리 복사 신호원에 근접한 영역 : 주로 복사 형태에 의한 영향 신호원에서 멀리 떨어진 지점 : 전파가 진행해 가는 매질에 영향 안테나에서 복사된 전자기장의 특성 (b) 저임피던스 자기장 (a) 고임피던스 전기장 고임피던스에 해당하는 낮은 전류 저임피던스에 해당하는 높은 전류

7 2) 차폐효과 (Shielding Effectiveness ; SE ) 2. Shielding

8 (1) 차폐재 표면에 입사하는 전자파 에너지의 일부가 반사 (R) (2) 차폐벽의 입사면을 통과하고 남은 부분이 반대벽에 도달한다 (A) (3) 차폐재료의 반대벽에 도달한 전자파 에너지의 재 반사 (B) 3) 차폐 효과의 정의 SE (dB)=R(dB)+A(dB)+B(dB) R [dB] = 반사 손실 A [dB] = 흡수 손실 B [dB] = 내부 반사손실 ( 보정 계수 ) 2. Shielding

9 차폐 물질의 평면파 차폐 현상 3) 차폐 효과의 정의 2. Shielding

10 일반적인 금속 : 100dB 이상의 차폐 효과 개구부 나 관통부가 있는 경우 : 각종 케이블의 입출력, 표시창 설치 (60dB 이하 ) 차폐 불연속으로부터의 누설량은 주로 다음 세 가지에 의존한다. (1) 개구부의 최대 선형 길이 ( 면적이 아님 ) (2) 파동 임피던스 ( 자유공간 377Ω) (3) 신호원의 주파수 - 차폐 불연속에 의하여 유기된 전류의 흐름이 바뀌면 차폐 효과는 감소 - 전류를 우회하도록 하는 힘이 크면 클수록 차폐 효과는 더욱 감소 4) 함체의 차폐 효과 2. Shielding

11 (a) : 차폐면에 불연속이 없는 경우 유기되는 전류의 흐름 (b) : 구형의 슬롯에 의하여 차폐면에 유기된 전류가 우회하는 모습 4) 함체의 차폐 효과 2. Shielding

12 (c) : (b) 에 비해 폭은 얇지만 길이는 같아서 전류가 우회하며 (b) 와 같은 양의 누설이 생김 (d) : 많은 구멍으로 차폐 전류가 우회 (b) 에 비하여 우회 정도가 적다 구멍의 총면적이 슬롯의 면적과 같아도 누설은 적게 나타남 4) 함체의 차폐 효과 2. Shielding

13 손실을 크게 하는 좋은 도체 ( 구리, 알루미늄 ) 사용 고주파 장기장은 (500Hz 이상 ) 높은 투자율의 좋은 도체나 물질을 이용 저주파자기장 (10kHz~500KHz ) 을 위해 강철과 같은 자성자용 10kHz 이하는 흡수 손실을 최대화하기 위해 높은 투자율을 가진 물질사용 반사는 전기장과 뛰어난 효과, 자기장 은 효과가 떨어짐 금속물질은 충분한 두께를 가져야 한다. 큰 구멍 하나보다 작은 구멍 여러 개가 누출을 줄인다. 4) 함체의 차폐 효과 2. Shielding

14 Noise Source No Internal Field No Internal Field Noise Source 차폐는 차폐벽에 의한 반사 또는 흡수로 구성 전자기장 은 금속벽 차폐가 우월 반사는 전기장에 뛰어난 효과, 자기장 은 효과가 떨어짐 실드 의 표면 전도율에 의해 반사율은 증가하나 주파수에 대해서는 감소 흡수증가요인 - 실드의 두께, 실드의 도전율, 입사되는 전자계의 주파수 5) 차폐 (Shielding) 의 응용 2. Shielding

15 5) 차폐 (Shielding) 의 응용 2. Shielding

16 Overlap 5) 차폐 (Shielding) 의 응용 Nonstep Type Step Type Weld Material Gasket 2. Shielding

17 컨넥터 처리 전자계누설은 실드 되지 않거나 완전 실드되지 않은 케이블에 의해 발생 실드의 각 종단점의 성질과 실드매질의 특성에 효과가 좌우됨 5) 차폐 (Shielding) 의 응용 Cable Cable Shield Connector Enclosure Wall Conductive Clamp RF Back Shell Bonded to Connector Shell 2. Shielding

18 5) 차폐 (Shielding) 의 응용 2. Shielding

19 자기장 차폐기법 5) 차폐 (Shielding) 의 응용 2. Shielding

20 자기장 차폐기법 5) 차폐 (Shielding) 의 응용 3) 전자기장 필드형성 2. Shielding

21 - 수 Hz~ 수 GHz 대역에서 사용하고자 하는 일정 대역 및 주파수를 통과 및 저지시키는 역할을 하는 것 - L, C 의 고유특성과 적용되는 기기의 임피던스차이를 이용 - 전압, 전류, 주파수에 의하여 필터의 크기와 필터의 단수가 결정 - 내부구조, 장착되는 위치, 케이스종류 등에 의해 필터링 특성의 변화됨 - 회로구성, 타 필터와의 연결에 의한 공진발생과 전압상승 발생 3. EMI Filter 설계 기본개념 3.1 EMI Filter 의 역할

EMI Filter 설계 왜 어려운가 ? 1) : 명확하게 매뉴얼 화 되어 있는 설계 방법이 아직 없었다. 2) : 입 ∙ 출력 임피던스가 필터링 하고자 하는 주파수범위에서 일정하지 않다. 3) : 차동모드 와 공통모드의 임피던스를 분리하여 측정하는 방법이 없었다. 4) : 필터특성 시험방법과 실제특성과의 상이함 ( 표준필터 측정방법 50Ω) 5) : 규격시험에서 측정된 노이즈는 이론적으로 해석이 되지 않는다. ( 규격시험은 차동, 공통모드가 합성된 노이즈 ) 6) : 논문이나 전문서적에 기술된 설계방법은 일반적으로 매우 복잡하다. 필요로 하는 데이터를 얻기 위해 고가의 장비들이 필요하다. 3. EMI Filter 설계 기본개념

23 low high low high low high low 3.3 필터회로구성 코일은 High 임피던스 특성, 캐패시터 는 Low 임피던스 특성을 갖는다. 3. EMI Filter 설계 기본개념

24 Specifications Maximum leakage current each Line to Ground: 3, 6 & 10A ET VAC 60 Hz: 0.3 VAC 50 Hz: 0.5 mA Hipot rating (one minute): Line to Ground: 2250 VDC Line to Line: 1450 VDC Rated Voltage (max): 250 VAC Operating Frequency: 50/60 Hz Operating Ambient Temperature Range (at rated current Ir): -10°C to +40°C In an ambient temperature (Ta) higher than +40°C the maximum operating current (Io) is calculated as follows: Io = Ir (85-Ta)/45 AC 용 3.4 필터의 Spec 3. EMI Filter 설계 기본개념

25 AC 용 3.4 필터의 Spec 3. EMI Filter 설계 기본개념

26 AC 용 3.4 필터의 Spec 3. EMI Filter 설계 기본개념

27 Specifications Hipot rating (one minute): Line to Ground: 2250 VDC LIne to Line: 1450 VDC Rated Voltage (max): 80 VDC Rated Current: 15 to 125A Operating Ambient Temperature Range (at rated current Ir): -10°C to +55°C In an ambient temperature (Ta) higher than +55°C the maximum operating current (Io) is calculated as follows: Io = Ir (85-Ta)/30 DC 용 3.5 필터의 Spec 3. EMI Filter 설계 기본개념

28 DC 용 3.5 필터의 Spec 3. EMI Filter 설계 기본개념

29 DC 용 3.5 필터의 Spec 3. EMI Filter 설계 기본개념

30 4. EMI Filter 종류 및 특징 4.1 L 형 필터 12 dB/octave 다중 L 형 필터 L 형 필터 RC 병렬필터를 가지는 평형 L 형 필터 3 소자 T 형 필터 : 18 dB/Octive 저 임피던스 선로에 적합 DC 모드에서 최적으로 동작 RC 병렬필터를 가지는 평형 L 형 필터 ( 24 dB/Octive)

31 3 소자 T 형 필터 : 18 dB/Octive 저임피던스 선로에 적합 부하와 접하고 있는 인덕터의 큰 임피던스는 스위칭 회로에 영향을 준다. DC 시스템 에 부적합 - 스위칭 회로 설계시 스위칭 회로 입력에 커패시터 사용하여 낮은 임피던스를 가지게 하여 사용 4.2 T 형 필터 T 형 필터 다중 T 형 필터평형 다중 T 형 필터 4. EMI Filter 종류 및 특징

32 MIL-STD- 220A 50Ω 시험 규격에 적합한 형태임 저렴한 가격, 작은 크기 및 무게를 가볍게 하면서도 감쇠 요구 조건을 만족 스위칭 회로에 영향을 주지 않는 다면 DC 시스템에서도 잘 동작함 평형 형태의 필터로 제작하기 용이함 4.3 형 필터 형 필터 다중 형 필터 평형 다중 형 필터 4. EMI Filter 종류 및 특징

33 1) 안전규격의 이해 및 적용 2) 전원 공급단 의 중요성 ( 신뢰성 ) 3) 정격에 대한 이해 4) 노이즈개념 및 발생 노이즈분석 5) 입, 출력 임피던스 분석 및 이해 6) 노이즈 저감원리 의 이해 및 적용 ( 필터회로구성 ) 7) 적용부품의 특성에 대한 이해 및 적용방법 8) 열 발생에 대한 이해 9) 부품배치 및 기구 구조에 의한 특성 이해 10) 그라운드에 따른 특성변화에 대한 이해 5. 필터회로의 이해

기본필터회로 CM ModeDM Mode CM L 낮은 주파수 대역높은 주파수 대역 DM L 높은 주파수 대역낮은 주파수 대역 XCX 낮은 주파수 대역 YC 높은 주파수 대역 R CM L YC1 XC1 XC2 YC2 5. 필터회로의 이해

35 CM L R YC1 XC1 XC2 YC2 CM L R YC1 XC1 YC2 XC2 설계회로 실제특성회로 L I : Leakage Inductance LILI 5.2 필터기본회로의 이해 5. 필터회로의 이해

36 CM L YC1 XC1 YC2 XC2 DM L XC1, XC20.47uF CM L 5mH DM L 10uH YC1,YC22200PF Mode 별 필터회로 DM Mode FilterCM Mode Filter DM L CM L XC1 XC2 XC3 YC+YC2 5.2 필터기본회로의 이해 5. 필터회로의 이해

37 ZSZS ZNZN CML CM Mode 25Ω CM Mode : CM 코일을 추가하면 임피던스 차이만큼 저감된다. DM Mode : XC 를 추가하면 임피던스 차이만큼 저감된다. ZSZS ZNZN 100Ω vNvN XC 100Ω High Z Low Z 5.3 노이즈저감원리 DM Mode 5. 필터회로의 이해

38 ZSZS ZNZN L 25kΩ 25Ω CM Mode 20 log 25Ω/25kΩ =1: dB 저감 ZSZS ZNZN 100Ω vNvN XC 100Ω High ZLow Z DM Mode 20 log 0.1Ω/100Ω =1: dB 저감 0.1Ω 5.3 노이즈저감원리 한 주파수를 기준 했을때 ( 예 200kHz) 5. 필터회로의 이해

39 L : 1mH R P : 10KΩ C S : 30PF C : 4700PF L : 10nH RS : 100mΩ CM MODE 5.4 Mode 별 Filter 특성 L C L+ CL+ C 필터회로의 이해

40 R P : 100kΩ Cs:10pF YC L =100nH YC R =0.1Ω ZSZS ZNZN YC 2000pF 21Ω 1kΩ 28 mH b) Y C 추가에 의한 고주파특성 Y C CSCS 20log ( 1.2MHz ) 기준 a b a) Z N 과 CML 의 임피던스 차이 CM L Z ZNZN 20log 5.4 Mode 별 Filter 특성 CM MODE 5. 필터회로의 이해

41 DM MODE 5.4 Mode 별 Filter 특성 C : 0.47uF L : 100nH RS : 100mΩ 50 L : 10uH RP : 1KΩ CS : 30PF C L C + L 5. 필터회로의 이해

42 XC 3.3uF ZSZS ZNZN DM L DM L C S =10PF DM L R P =2kΩ 10uH 84Ω 10Ω XC L =100nH XC R = 0.1Ω b) DM L 추가에 의한 고주파특성 DM L XC L 20log ( 1.5MHz ) 기준 a) Z N 과 XC 의 임피던스 차이 XC Z ZNZN 20log a b DM MODE 5.4 Mode 별 Filter 특성 5. 필터회로의 이해

43 V 0 LISN EUT ZSZS ZNZN VNVN ZLZL 6.1 CM Mode Impedance 6. 소스 임피던스

44 20log (Zn) CM Z - 200kHz L ZSZS ZNZN ZSZS ZNZN * CM L 추가 전, 후 레벨비교 (200kHz) 레벨차이는 10dB 정도면 적당함 6.1 CM Mode Impedance 11dB 6. 소스 임피던스

45 20log 2.6kΩ 9.5kΩ =11.3dB 200kHz 에서 7.4mH 추가시 11dBuV 가 저감됨 (Zn) CM Z-200kHz Z N = 20log L ZSZS ZNZN vOvO vNvN L=7.4mH CM Z =9.5kΩ Z N =2.6kΩ 6.1 CM Mode Impedance 6. 소스 임피던스

DM Mode Impedance EUT V 0 LISN ZSZS ZCZC ZNZN VNVN 6. 소스 임피던스

DM Mode Impedance * XC 추가 전, 후 레벨비교 * 레벨차이는 10dB 정도면 적당 ZSZS ZNZN ZSZS ZNZN 20log (Zn) XC Z - 200kHz 15dB 6. 소스 임피던스

DM Mode Impedance 20log (Zn) XC Z - 200kHz 20log 10Ω 1.7Ω =15.4 dB Z N = 10Ω 200kHz 에서 0.47uF 추가 15dBuV 가 저감됨 Z N = ZSZS ZNZN vOvO vNvN C=0.47uF XC Z = 1.7Ω 6. 소스 임피던스

49 7. 소스임피던스 의 활용 7.1 CM Mode 기준 L 값 구하기 R 필요한 CM L 값을 구할 수 있다. CM L ZSZS ZNZN Z N 이 1kΩ 이고 F 가 200kHz 이면 Z N 2π F CM L = 1kΩ 2π x 200kHz CM L = = 0.8mH 기준 CM L

CM Mode 기준 L 값 활용 CM L ZSZS ZNZN 적용 CM L 기준 CM L 20log 위의 회로에서 CM L 을 3mH 를 적용하면 200kHz 에서 삽입손실은 Z N : 1kΩ, F:200kHz 3.0mH 0.8mH 20log = dB 7. 소스임피던스 의 활용

CM Mode 기준 L 값 활용 3.0mH 0.8mH 20log = dB 기준 CM L 0.8mH 는 -3dB 지점 실제 특성은 -14.5dB 7. 소스임피던스 의 활용

52 ZS = 21Ω, ZN = 1kΩ RP =40kΩ cs = 10pF 3.0mH ZSZS ZNZN 0.8mH ① : 20log = dB 기준 ① ② 8.0mH 0.8mH ② : 20log = -20 dB 7.2 CM Mode 기준 L 값 활용 7. 소스임피던스 의 활용

DM Mode 기준 XC 값 구하기 R XC ZSZS ZNZN 10Ω 84Ω 필요한 XC 값을 구할 수 있다. 1 2π x F x Z N C = Z N 이 10Ω 이고 F 가 200kHz 이면 = 0.08uF 1 2π x 200kHz x 10Ω XC = 기준 XC 7. 소스임피던스 의 활용

DM Mode 기준 XC 값 활용 XC ZSZS ZNZN 84Ω 위의 회로에서 XC 값을 3.3uF 을 적용하면 200kHz 에서 삽입손실은 적용 XC 기준 XC 20log Z N : 10Ω, F:200kHz 3.3uF 0.08uF 20log = dB 실제 특성은 -35.3dB 7. 소스임피던스 의 활용

55 기준 7.4 DM Mode 기준 XC 값 활용 1.0uF XC ZSZS ZNZN ZS = 84Ω, ZN = 10Ω XC L =100nH XC R = 0.1Ω 1.0uF 0.08uF ① : 20log = -22dB 3.3 uF 0.08uF ② : 20log = -32 dB ① ② 7. 소스임피던스 의 활용

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