Emi 필터

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캐퍼시터와 인덕터 및 리액터와 기타 여러가지 부품을 사용하여 전원주파상에 섞여있는 여러가지 노이즈를 걸러내고 저지하는 역할을 하는 필터다.

회로상 병렬, 직렬연결에 따라 X캡, Y캡으로 명칭된다.

기본적으로 상용 220V나 110V의 저압 전원라인은 가설된 전력선에 여러 이유로 전기적인 노이즈가 뜨는데, 이를 캐패시터의 원리를 이용하여 중성선 또는 접지로 우회시킨다.

전원의 품질을 위해 전기를 사용하는 제품에는 하나씩 달려 EMI 필터를 한번 전원이 거쳐가도록 되어있다.

1 기본적인 작동 개관

EMI 필터는 전기적인 노이즈를 제거하고 단말 기기에 정상적인 전력을 공급하기 위해 여러 토폴로지를 사용하여 상용전원으로부터의 노이즈를 제거한다. 개중에는 미약하지만 서지 프로텍터의 기능을 가지고 있는 경우도 있다. 그러면 이런게 어떤 조합으로 진행되는지 간단하게 살펴보자.

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위 사진의 필터는 Double Z coil 과 Y캡으로 구성된 필터이다.

  • 저항을 통해 스파이크에 대한 전력을 방전

I=V/R 의 수식에서 보았을 때, 고전압 스파이크 전류는 상용주파수와 달리 높은 전압을 가지므로 저항을 통해 쉽게 방전될 수 있다. 미런 미세한 스파이크들의 이 가진 순간적인 고전압들이 먼저 저항을 지나가며 저항에 의해 열로 소모된다. 단, 상용전원도 미세하게 저항을 따라 흐르므로 저항의 용량과 저항값을 잘 선정해야 한다. 미세한 노이즈는 잡아내지 못하며 비교적 큰 노이즈들에 대해서만 손을 쓸 수 있다.

  • 캐퍼시터를 통해 노이즈 소화

캐퍼시터의 경우 교류 주파수가 흐를 때 충 방전을 통해 전류를 흘려줄 수 있음을 알 수 있다. 이 때 낮은 주파수의 상용주파수와 달리 하모닉 노이즈나 기타 여러 전원노이즈는 상용주파에 비해 푸리에 변환시 더 높은 주파수를 가지므로 캐퍼시터를 통해 상용주파수보다 더 높은 비율, 다시말해 더 낮은 등가저항으로 방전이 가능하다. 이를 통하여 노이즈를 흡수한다.

  • Z코일을 통해 노이즈를 저지

Z코일을 통해 서로 대칭된 자기장을 양 선로에 인가하여 높은 주파수의, 특히 비 대칭인 노이즈 성분의 통과를 적극적으로 저지한다.

  • Y캐퍼시터를 통해 노이즈 소화 및 방류

Y캐퍼시터를 통해 걸러낸 노이즈를 접지로 방류한다. 이 때 Y캐퍼시터는 그냥 걸쳐있는 캐퍼시터보다 용량이 조금 더 큰데, 더 적극적으로 노이즈를 걸러내도록 하기 위함이다.

  • Z코일을 통해 노이즈를 저지

Z코일을 통해 서로 대칭된 자기장을 양 선로에 인가하여 높은 주파수의, 특히 비 대칭인 노이즈 성분의 통과를 적극적으로 저지한다.

  • 캐퍼시터를 통해 노이즈 소화

최종 캐퍼시터가 노이즈를 마저 흡수한다.

이처럼 여러 부품이 협력하여 거의 대칭적으로 구성되는 것을 알 수 있다. 대칭적인 이유는 노이즈가 기기 내부에서 발생, 전력망으로 방출될 수도 있는데 이것을 잡기 위해서 대칭형으로 구성하게 된다. 다만 이것은 토폴로지에 따라 지원이 되지 않는 경우도 있어 이에 따라 단방향 필터인지 양방향 필터인지가 나뉘어진다.

2 각 토폴로지별 감쇠 특성

2.1 Z 코일 / 인덕터

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다양한 종류의 EMI 필터용 코일들

코일을 감아두면 자기장이 발생하고, 이 자기장이 다시 코일에 전자기 유도를 일으키며 코일에 전류가 흐르는 것을 저지하는 것을 이용, 높은 주파수의 전원 노이즈가 코일에 의해 걸러지는 것을 목적으로 만들어진 필터다. 종류에 따라 2가지 제품으로 나누어진다.

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  • common mode : 지나가는 전력이 만드는 자기장을 서로 더해지도록 만들어진다. 이렇게 하면 코일 내부에 강한 자기장이 형성되어 높은 인덕턴스를 가진 인덕터로서 기능하게 된다. 넓은 대역의 노이즈를 고루 저지하는것이 특징.

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  • Differential mode : 지나가는 전력이 만드는 자기장을 서로 상쇠시키도록 만들어진다. 이렇게 하면 코일 내부에 자기장이 정확히 0이 되어 인덕터로서의 기능을 상실한다. 고주파의 높은 특정대역내 노이즈를 매우 강력하게 저지하는것이 특징. CM 모드와 달리 각 상당 1개를 사용한다. 그리고 많이 사용되지 않기 때문에 구하기도 딥따 어렵다.

2.2 X 캐퍼시터와 Y 캐퍼시터

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X캐퍼시터는 라인과 라인 사이를 직통해서 연결되는 캐퍼시터를 의미한다. 비 대칭적인 전원 노이즈에 대응한다.
Y캐퍼시터는 2개의 캐퍼시터가 직렬로 연결되어 있으며, 중간에 접지 단자가 나와있는 캐퍼시터 구조를 의미한다. 더 높은 수준의 노이즈 저감을 이루어내며, 특히 DC floating 등이 발생할 경우 이를 걸러내기도 한다. 그러나 반드시 접지가 있어야 가동이 된다.

2.3 저항

고전압의 경우 저항을 쉽게 통과함을 이용, 스파이크를 감쇠한다. 끝.

3 MOV 의 적용

일부 EMI 필터들은 강한 보호를 제공하기 위해 EMI 필터의 앞뒤로 MOV 를 달아 EMI 필터가 처리하지 못 할 정도로 강한 노이즈가 들어올 경우 강제로 방전시키기도 한다. 방법은 다음 4가지가 있다.

  • Basic Mode MOV : Hot - Neutral 만 연결
  • Dual Mode MOV : Hot - Neutral 연결 / Neutral - GND 연결
  • Tri-Mode MOV : Hot - Neutral 연결 / Neutral - GND 연결 / Hot - GND 연결
  • Quad - Mode MOV : 입력단 Hot - Neutral 연결 / 입력단 Neutral - GND 연결 / 입력단 Hot - GND 연결 / 출력단 Hot - Neutral 연결

순서대로 더 강한 보호를 제공한다.