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1. 노이즈 필터란 무엇인가?
노이즈 필터 종류와 원리를 이해하려면 먼저 회로에서 말하는 “노이즈(noise)”가 뭔지부터 알아야 합니다.
노이즈란 우리가 의도하지 않은, 불필요한 전기적 신호를 뜻합니다.
예를 들어 MCU나 FPGA 같은 디지털 칩에서 발생하는 클럭 스위칭 노이즈, 전원에서 생기는 리플, 외부로부터 유입되는 라디오 주파수(RF 간섭) 같은 것들이 전형적인 노이즈입니다.
이런 노이즈는 그냥 귀찮은 게 아니라, 실제로는 신호의 오동작, 데이터 오류, 통신 실패, 심하면 IC 파손까지 유발할 수 있습니다.
예를 들어, 센서에서 1.2V가 나와야 하는데 외부 노이즈 때문에 1.25V가 나온다면?
회로는 이걸 전혀 다른 신호로 인식할 수 있습니다.
즉, 노이즈는 단순한 잡음이 아니라 회로 동작의 안정성과 신뢰성을 무너뜨릴 수 있는 주요 원인입니다.
그렇다면 이 노이즈를 어떻게 막을 수 있을까요?
바로 여기서 노이즈 필터의 개념이 등장합니다.
노이즈 필터는 말 그대로 필요한 신호는 그대로 통과시키고, 불필요한 노이즈 성분은 차단하거나 줄여주는 역할을 하는 회로입니다.
이러한 기본 원리는 노이즈 필터 종류와 원리를 이해하는 데 있어 가장 중요한 출발점이 됩니다.
일반적인 필터는 통과 혹은 차단시키는 주파수 영역에 따라 LPF , HPF, BPF, BRF 등으로 구분됩니다.
하지만, 노이즈 필터 종류와 원리 중에서도 EMI 영역에 적용하는 노이즈 필터는 고역의 노이즈 성분은 제거시키고 저역신호 성분만 통과 시키는 LPF를 주로 다룹니다.
저역통과 필터는 신호에 포함된 고주파 노이즈를 접지로 Bypass 시키고 필요 성분(신호/전원 성분)은 통과시키는 주 기능으로 합니다.
일반적으로 EMI(전자기 간섭, Electromagnetic Interference)는 대부분 고주파 대역에서 발생하는데, 이 고주파 노이즈를 차단하고 필요한 저주파 전원 또는 신호 성분만 회로에 전달하는 것이 설계의 핵심이기 때문입니다.
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2. 노이즈 필터의 종류와 원리
2-1) LPF, HPF, BPF, BSF 개념
가장 기본적인 필터는 신호의 주파수 특성에 따라 분류됩니다.
이들 필터는 노이즈 필터 종류와 원리 중에서도 가장 기본적인 분류에 해당하며, 회로의 목적과 필터링 대상 주파수에 따라 선택됩니다.
2-2) 수동 필터와 능동 필터의 차이점
필터는 동작 방식에 따라 수동 필터(Passive Filter)와 능동 필터(Active Filter)로 나눌 수 있습니다.
이 역시 노이즈 필터 종류와 원리를 이해하는 데 핵심입니다.
수동 필터는 전원 없이 동작하며, 회로 구조가 단순하고 신뢰성이 높습니다.
반면, 능동 필터는 연산 증폭기(Op-Amp)를 포함하여 신호를 증폭하면서도 필터링할 수 있다는 장점이 있습니다.
노이즈 필터 종류와 원리를 이해하는 것은 단순히 필터를 설계하는 것 이상의 의미가 있습니다.
EMI 억제, 신호 정합, 전원 안정화 등 회로의 핵심 신뢰성과 직결되기 때문입니다.
3. Common Mode Choke의 이해
고속 디지털 회로나 전원 설계에서 “왜 아무 이유 없이 통신이 끊기지?”
또는 “왜 기기에서 이상한 전자파가 감지되지?”라는 문제를 겪어본 적 있으신가요?
이런 상황에서 중요한 역할을 해주는 부품 중 하나가 바로 Common Mode Choke입니다.
회로에서 발생하는 다양한 노이즈를 효과적으로 억제하려면, 필터 중에서도 특히 노이즈 필터 종류와 원리에 대한 이해가 필요하며, 그 중심에 Common Mode Choke가 있습니다.
3-1) 공통 모드(Common Mode)와 차동 모드(Differential Mode)의 개념 정리
회로에서 신호가 두 개의 라인을 통해 전송될 때, 이 신호가 어떻게 흐르느냐에 따라 공통 모드와 차동 모드로 나눌 수 있습니다.
굳이 구분 하는게 중요한가요?
노이즈가 어떤 방식으로 신호선에 영향을 주는지를 이해해야, 적절한 노이즈 필터 종류와 원리를 적용할 수 있기 때문입니다.
예를 들어, 차동 모드에서는 신호 전달이 중요한 반면, 공통 모드에서는 EMI 억제가 중요합니다.
결론적으로, 공통 모드는 억제해야 할 노이즈 성분이며, 차동 모드는 우리가 의도한 신호 흐름입니다.
이 둘을 구분해서 설계하고 적절한 필터를 사용하는 것이 회로 설계에서 매우 중요한 기본기 중 하나입니다
3-2) Common Mode Choke의 구조 및 동작 원리
Common Mode Choke는 말 그대로 Common Mode 성분만 선택적으로 억제하는 필터입니다.
이 부품은 두 개의 코일을 같은 방향으로 감고, 하나의 페라이트 또는 자기 코어에 감겨 있습니다
- 차동 모드 전류가 흐를 경우 → 서로 반대 방향으로 흐르기 때문에 자속이 상쇄되어 코어에 자속이 거의 생기지 않음 → 신호는 그대로 통과.
- 공통 모드 전류가 흐를 경우 → 두 선이 같은 방향으로 흘러 자속이 서로 더해짐 → 높은 인덕턴스 형성 → 노이즈 성분 차단.
이 구조는 “필요한 신호는 통과시키고, 원하지 않는 노이즈만 차단”하는 전형적인 노이즈 필터 종류와 원리 중 하나입니다.
3-3) 주로 사용하는 코어 재질과 특성
Common Mode Choke에 사용되는 자성 코어의 종류에 따라 동작 특성과 주파수 커버 범위가 달라집니다.
각 응용에 따라 코어 재질을 선택해야 하며, 필터가 적용되는 노이즈 주파수 범위에 적합한지 확인하는 것이 중요합니다.
정리하면, 노이즈 필터 종류와 원리 중에서도 Common Mode Choke는 노이즈 억제와 신호 보존이라는 두 마리 토끼를 잡는 부품입니다.
단순한 부품처럼 보이지만, 그 원리와 적용은 고급 설계 영역에서도 매우 중요합니다.
특히 EMI 규격 대응, 고속 신호 전송 신뢰성 확보, 전자파 누설 방지 측면에서 필수 요소로 자리 잡고 있습니다.
4. 전원라인 필터(Power Line Filter)
노이즈를 제어할 때 가장 먼저 고려해야 할 부분 중 하나가 바로 전원라인 필터입니다.
말 그대로 전원선으로 들어오는 불필요한 노이즈를 걸러내고, 기기 내부에서 발생한 노이즈가 외부로 나가지 않도록 막는 역할을 합니다.
이 필터는 단순한 소자가 아니라 Common Mode Choke, 커패시터(X-cap, Y-cap) 등의 여러 소자들이 조합되어 만들어지며, 라인 필터(Line Filter)라고도 불립니다.
4-1) 전원 노이즈의 전파 경로
전원 노이즈는 크게 두 가지 경로로 전파됩니다.
전원라인 필터는 이 중에서 특히 “전도성 노이즈”를 억제하는 데 중점을 둡니다.
예를 들어, AC 220V 입력을 받는 기기에서는 외부 전력선으로부터 노이즈가 유입되거나, 내부에서 발생한 고주파 잡음이 전력선을 통해 밖으로 나갈 수 있습니다.
이 두 가지 모두 문제가 될 수 있기 때문에, 양방향으로 노이즈를 차단해야 합니다.
4-2) AC 입력부 필터와 DC 출력부 필터의 차이
전원에는 보통 두 가지 흐름이 있습니다.
바로 AC 전원(교류)과 DC 전원(직류)입니다.
이 둘은 전기의 성질도 다르고, 여기에 붙는 노이즈 필터의 목적과 구성도 달라집니다.
AC 입력부 필터는?
AC 콘센트에서 들어오는 교류 전원선의 입구에 위치합니다.
이 필터는 밖에서 들어오는 노이즈를 막고,기기 내부에서 생긴 노이즈가 밖으로 나가는 것도 막는 양방향 필터입니다.
대표적인 구성 요소는 Common Mode Choke, X-cap, Y-cap이며,보통 Inlet 소켓 형태로 기기에 붙어 있습니다.
그럼 DC 출력부 필터는?
SMPS에서 AC가 DC로 변환된 다음, 실제 회로나 부품에 공급되기 전에 붙는 필터입니다.
여기서는 내부 스위칭에서 발생하는 고주파 노이즈(리플)를 제거하고, 칩이 요구하는 순간 전류에 대응하기 위해 디커플링 커패시터나 LC 필터를 사용합니다.
한마디로 정리하면, AC 입력부 필터는 외부-내부 사이의 문지기, DC 출력부 필터는 회로 안에서 깨끗한 전원을 보장해주는 정리정돈 담당입니다.
4-3) 라인필터 구조와 동작
노이즈 필터 종류와 원리 중에서도 실생활에서 가장 자주 접할 수 있는 것이 바로 라인 필터(Line Filter)입니다.
특히 AC 전원 입력부에 사용되는 라인 필터는 외부에서 유입되는 노이즈를 막고, 내부 회로에서 발생하는 노이즈가 전원선을 타고 외부로 퍼지는 것을 동시에 억제하는 양방향 방어 역할을 합니다.
구조를 보면 보통 세 가지 주요 부품이 사용됩니다.
- Common Mode Choke는 두 전원선(L, N)을 동시에 감은 코어에 코일을 감아, 공통 모드 노이즈에는 높은 임피던스를 제공해 차단하고, 차동 모드 신호(AC 전원)는 그대로 통과시킵니다.
- X-capacitor는 L과 N 사이에 연결되어 있는 커패시터로, 차동 모드 노이즈를 억제하는 역할을 합니다.
- Y-capacitor는 L 또는 N과 접지(GND) 사이에 연결되며, 공통 모드 노이즈를 접지로 우회시키는 데 사용됩니다.
이들 세 부품이 조합되어 하나의 라인 필터를 구성하고, 이를 통해 수백 kHz에서 수 MHz 이상의 고주파 노이즈를 효과적으로 차단할 수 있습니다.
예를 들어, 우리가 흔히 사용하는 PC 전원 케이블 끝에 붙어 있는 3핀 인렛 소켓(inlet socket) 내부를 보면 단순히 연결만 되는 게 아니라, 이 라인 필터가 내장되어 있는 경우가 많습니다.
내부적으로는 위에 설명한 커먼모드 초크와 X/Y 커패시터들이 숨어 있어서, 노이즈 필터 종류와 원리를 이해하면 왜 이 구조가 필요한지, 얼마나 중요한지 쉽게 납득할 수 있습니다.
정리하자면, 라인 필터는 단순한 부품 몇 개로 구성되어 있지만, AC 전원선에서 발생하는 문제의 대부분을 해결해주는 중요한 필터이며, 노이즈 필터 종류와 원리 중에서 전원 입력부 설계 시 가장 먼저 고려되어야 할 요소 중 하나입니다.
5. 3단자 CAP
노이즈 필터 종류와 원리를 제대로 이해하려면, 일반적인 MLCC(다층 세라믹 커패시터)뿐만 아니라 3단자 커패시터(Three-Terminal Capacitor)도 꼭 짚고 넘어가야 합니다.
이 부품은 단순히 ‘다르게 생긴 커패시터’가 아니라, 구조 자체가 고주파 노이즈 제거에 특화되어 있어 고속 디지털 회로나 RF 회로에서 큰 역할을 합니다.
5-1) 일반 MLCC의 한계와 3단자 커패시터의 구조
먼저 SMD형 MLCC의 등가 회로를 보면, 단순히 정전용량(C)만 있는 게 아니라 기생 인덕턴스(ESL)와 기생 저항(ESR)도 함께 존재합니다.
특히 단자(terminal) 부분의 ESL은 고주파에서 커패시터가 인덕터처럼 동작하게 만들기 때문에, 노이즈 필터로서의 성능을 크게 제한합니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 3단자 커패시터입니다.
이 부품은 입출력 단자가 접지 단자를 관통하는 구조로 되어 있어, 신호가 통과하는 경로에 인덕턴스를 분산시키는 효과가 있습니다.
구조적으로 보면 마치 T자형 LC 필터(L-C-L)처럼 동작합니다.
중앙 단자(GND)는 PCB의 접지층과 최소 거리로 연결되며,양쪽 단자는 각각 입력과 출력 라인으로 배치됩니다.
이렇게 배치된 구조는 일반 MLCC보다 훨씬 낮은 ESL을 가지며, 공진 주파수를 훨씬 높게 설정할 수 있습니다.
즉, 노이즈 필터 종류와 원리에서 고주파 대역까지 커버할 수 있는 필터 성능이 뛰어난 것입니다.
실제 성능은 어느 정도일까?
한 가지 재미있는 예를 들어보겠습니다.
보통 고주파 노이즈를 억제하기 위해, 22uF, 10nF 5개, 100pF 5개를 병렬로 구성하는 경우가 많습니다.
이렇게 하면 폭넓은 주파수 영역을 커버할 수 있긴 합니다.
그런데 이 병렬 조합의 임피던스 특성을 보면, 10uF 3단자 커패시터 하나만으로도 거의 동일한 효과를 낼 수 있습니다.
다시 말해, 3단자 커패시터 하나는 MLCC 10개 내외를 병렬로 연결한 것과 유사한 성능을 갖는 셈입니다.
공간도 절약되고, 부품 수도 줄어들고, 고주파 노이즈 성능까지 확실히 챙길 수 있으니 일석삼조되는 셈입니다.
회로 설계 시 고주파 노이즈 때문에 고민 중이라면, 이 3단자 커패시터를 꼭 한 번 검토해보시기 바랍니다.
노이즈 필터 종류와 원리를 이해한 설계자라면 이 부품이 얼마나 실용적인지 체감할 수 있을 겁니다.
SMD형 일반 세라믹 커패시터의 등가 회로구조를 보면, 고유의 커패시턴스(C)와 더불어 단자 부분의 기생 인덕턴스(ESL)와 기생 저항(ESR)성분을 가지고 있다. ESR은 공진주파수와 무관하여 일단배제한 상태에서 커패시터가 디커플링 용도로 사용되는 경우 커패시턴스(C)와 단자 인덕턴스(L)에 의한 자체 공진에 의해 주파수 영역에서는 (1)의 인덕터 특성을 따르게 된다. 이러한 단자(Terminal)의 기생 인덕턴스를 줄이기 위해 입.출력 단자를 접지 단자 내부로 관통하는 구조로 입.출력 단자측에는 인덕턴스가 존재하게 되고 접지층에 연결되는 단자는 최소 길이가 되게 하여 마치 T타입의 L-C-L필터의 등가 구조로 만든것이 3단자 커패시터이다. 3단자 소자지만 PCB 실장 시에는 4단자(GND-2단자)의 형태가 된다.
3단자 커패시터의 임피던스 특성을 보면 일반적인 MLCC에 비해 자체 공진 주파수 를 매우 높게 할 수 있어서 고주파 특성이 우수한 커패시터를 만들 수 있다. 우수한 고주파 특성이 요구되는 회로에는 이러한 3단자 커패시터의 적용에 의해 상당부분 회로의 noise 개선이 가능한다. 3단자 커패시터는 Lead type과 SMD type이 있다.
3단자 커패시터의 효과는?
22uF,10nF 5개, 100pF 5개를 병렬로 구성한 회로와 10uF 3단자 커패시터 하나의 임피던스 특성이 거의 유사하다. 즉, 대략 3단자 커패시터 하나는 일반 MLCC의 10개 내외를 병렬로 단 효과와 유사하다고 불 수 있다. 가격적인 측면과 부품 배치에 따른 공간적 측면에서 장점이 있다.