페라이트 비드(Ferrite Bead) 전기적 특성 및 구조

이번엔 수동 소자 중 EMI 고주파 노이즈 차단용으로 사용되는 페라이트 비드 (Ferrite Bead)에 대해 알아보겠습니다.

 

1. Structure

지금 컴퓨터 전원 케이블, HDMI, RGB 케이블 보면 그림1처럼 케이블 주위를 둘러싼 원통이 있습니다.

이게 바로 페라이트 비드입니다.

(흔히 페라이트 코어라고 부르기도 합니다.)

▲그림1. 노트북 충전기 케이블에 노이즈 제거용으로 부착된 페라이트 코어

아래 그림2처럼 단순하게 도선 주변을 페라이트 물질로 둘러싼 것입니다.

▲그림2. 페라이트 비드 구조

도선에 전류가 흐르면 투과율이 높은 페라이트 내부에서 도선에 흐르는 전류로 인해 생기는 자속의 반대 방향으로

자속이 발생하면서 마치 인덕터처럼 행동합니다.

 

SMT용 칩 형식 페라이트 비드를 만들기 위해서는 아래처럼 전극길을 낸 페라이트 시트를 겹겹이 쌓아서

전극이 페라이트에 둘러싸인 것처럼 만듭니다.

▲그림3. 페라이트 칩 구조 (출저 : Murata)

 

2. 전기적 특성

1) 주파수별 특징

 페라이트 비드의 등가 회로는 그림4와 같습니다.

▲그림4. 비드 등가회로

Z는 비드의 임피던스, R은 비드 R_AC의 저항값 (정확하겐 R_AC+R_DC이나 R_DC는 너무 작아 여기선 무시하겠습니다.),

X는 비드의 리액턴스입니다.

 

자 이제 아래 그림5처럼 주파수별 동작 구간 3개로 나누어 비드의 전기적 특성을 알아보겠습니다.

▲그림5. 주파수 구간별 비드의 전기적 특성 (출처 : www.we-online.com)

■ Inductive 구간

 저항 R값과 리액턴스 X값이 같아지는 지점을 그림5에 노란색 점으로 표시했습니다.

이 포인트를 R-X Cross Point라고 합니다.

그림5 그래프 기준으로는 0~50MHz까지 인덕티브 구간으로 마치 비드가 인덕터처럼 동작하는 구간입니다.

 

■ Resistive 구간

 R-X Cross Point부터 Capacitive 구간이 되기 전까지 주파수에선 비드가 마치 저항처럼 동작합니다.

이 주파수 대역에서 저항처럼 동작되다 보니 열로 발산되면서 필터 역할을 하게 됩니다.

 

■ Capacitive 구간

그림5는 리액턴스의 양수 값만 표시되어있는데요, 리액턴스가 200MHz부터 쭉 0이 아니라 

200MHz 이후부턴 음의 값을 가집니다.

이 리액턴스의 절대값(-X)가 저항 R값과 같아지는 구간이 바로 Capactive 시작 구간입니다.

이 구간부턴 노이즈 필터링 효과가 미미하며 더 높은 고주파로 가수록 그 효과는 더 미비해집니다.

(인덕터와 비드 모두 아주 높은 고주파에선  기생캡만 남아 마치 HPF처럼 동작해 보입니다.)

 

2) DC 전류별 특성

 인덕터에 DC 전류가 흐르면 기생 저항으로 인해 열이 나고 인덕턴스가 줄어드는 특성이 있습니다. 

(인덕터 참조 : https://ttistoryy.tistory.com/6)

그런데 비드는 아예 대놓고 열로 방출하는 구조다 보니 DC 전류에 임피던스가 더 민감하게 바뀝니다.

DC Bias가 커질수록 열은 더 나고 인덕턴스는 더 낮아지는 것이죠.

▲그림6. DC전류에 따른 비드 임피던스 변화 (출처 : http://www.sigcon.com/) 

3) 인덕터 vs 페라이트 비드

 페라이트 비드는 인덕터와 비슷하게 동작한다고 했는데 왜 비드 Resistive 구간에서는

저항처럼 행동해서 열로 소모시킬까요?

구성 물질의 차이인데요, 인덕터는 저손실 페라이트 물질인 반면 비드는 고손실 페라이트 물질로 구성합니다.

그래서 인덕터는 노이즈를 반사하게 되고 비드는 노이즈를 흡수해 열로 발산하게 됩니다.

▲그림7. Reflection vs Absorption (출처 : incompliancemag.com)

칩단에 비드 대신 인덕터를 달게 된다면 물론 노이즈는 차단되겠지만

차단된 노이즈가 다시 원신호단으로 반사된 것이므로 링잉 같은 문제를 일으킬 수 있습니다.

그래서 투자율이 좋은 페라이트로 둘러싼 비드가 만들어지게 된 것이죠.

 

3. 비드 Spec item

1) Impedance[100MHz]

 그림5와 같은 주파수별 임피던스 특성을 구구절절 설명하면서 표기하기 힘드니

통상적으로 100MHz 주파수에서의 임피던스 값을 스펙으로 표기하도록 정해졌습니다.

스펙에 표기된 100MHz 임피던스로는 페라이트 비드의 주파수별 특성을 알기 힘들죠.

그래서 번거롭지만 결국 승인 원상 주파수별 임피던스 그래프를 봐야겠습니다..

 

2) DC resistance

 그림4 등가 회로처럼 기생 DC 저항 (RDC)이 비드에 존재합니다. 물론 낮을수록 좋습니다.

 

3) Rated Current

 인덕터와 마찬가지로 허용 가능한 최대 전류입니다. 높을수록 좋습니다.

▲그림8. 비드 spec item (출처 : incompliancemag.com)

 

4. 비드 선정 주의 사항

 비드는 전원단에 연결될 수도 신호선에 연결될수도 있습니다.

차단하고자 하는 주파수 대역이 어디까지 인지 그리고 비드가 연결된 도선의 최대 전류는 얼마인지 고려하며

사용해야 합니다.

 

1) 전원단

 만약 전원단에 연결될 비드라면 저주파까지 커버하는 광대역 저항 임피던스를 가지면 좋습니다.

여기서 전원단은 전류가 높으므로 Rated Current가 해당 도선에 흐르는 최대 전류보다 더 높아야 합니다.

만약 2A가 흐르는 도선에 1A Rated Current 비드를 연결한다면 Burnt 납니다. (비드가 뒤집니다.)

 

2) 신호단

 이번에 신호단에 저주파까지 커버하는 광대역 저항 임피던스를 가지는 비드를 연결했다고 생각해봅시다.

커버하는 저주파 대역이 전송하고자 하는 신호 주파수 대역까지 차단해버린다면 난리가 나겠죠.

 

5. 결론

- 비드는 고주파 노이즈를 제거하는 EMI 필터다.

- 도선에 투과율이 높은 페라이트를 둘러싼 것이 바로 페라이트 비드이다.

- 이 비드는 주파수가 높아질수록 인덕터->저항->커패시터 처럼 동작한다.

- DC 전류에 따라 비드 임피던스는 크게 달라지므로 연결단 DC 전류가 얼마인지 고려하여 선정하자.

- 용도에 맞게 (전원단인지 신호단인지) 차단 주파수, Rated Current를 고려하여 비드를 선정하자.