[논문]공통 모드 노이즈를 흡수하는 소형 공통 모드 필터 설계

정현종; 정진우; 임영석

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.12.963

공통 모드 노이즈를 흡수하는 소형 공통 모드 필터 설계
Design of Compact Common Mode Noise Absorption Filter 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.12, 2018년, pp.963 - 968

정현종 (전남대학교 전자컴퓨터공학부) , 정진우 (동신대학교 에너지IoT전공) , 임영석 (전남대학교 전자컴퓨터공학부)

초록
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본 논문에서는 수동소자를 이용한 소형 공통 모드 필터를 설계 및 제작하였다. 주어진 주파수 응답을 갖는 공통 모드 필터를 설계하기 위해 차동 모드와 공통 모드에서 등가회로를 분석하였다. 제안된 구조는 기존의 ${\lambda}/4$ 공진기로 구현된 필터에 비해 60 %의 크기가 감소하였다. 또한, 제작된 공통 모드 필터는 ${\mid}S_{dd11}{\mid}$, ${\mid}S_{cc21}{\mid}$, ${\mid}S_{cc11}{\mid}$ < -10 dB를 만족하는 27.5 %의 공통 모드 흡수 대역폭에서 최대 1.2 dB의 차동 모드 삽입손실과 최소 78.2 %의 공통 모드 흡수 효율을 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a compact common mode filter using passive elements is designed and fabricated. To design a common mode filter with required frequency response, the equivalent circuits of the common mode filter in differential mode and common mode were analyzed. Compared with the former filter using a ${\lambda}/4$ resonator, the size of the proposed structure was reduced by 60 %. The fabricated common mode filter has a maximum differential mode insertion loss of 1.2 dB and a minimum common mode absorption efficiency of 78.2% in the CMA - bandwidth of 27.5 %.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 공통 모드 필터의 등가회로 Fig. 1. The equivalent circuit of CMF.
그림 그림 2. 차동 모드에서 등가 회로 Fig. 2. The equivalent circuit in differential mode.
그림 그림 3. 공통 모드에서 등가 회로 Fig. 3. The equivalent circuit in common mode.
그림 그림 4. 제작된 공통 모드 필터 사진 Fig. 4. Photograph of the fabricated CMF.
표 표 1. 임피던스, S 파라미터 조건식 Table 1. The impedance, S parameter conditional equation.
표 표 2. CMF 설계 파라미터 Table 2. CMF design parameter.
그림 그림 5. 시뮬레이션과 측정 결과 Fig. 5. The simulated and measured results.
그림 그림 6. 공통 모드 흡수 효율 Fig. 6. Common mode absorption efficiency.
표 표 3. 기존 연구와의 비교 Table 3. Comparison with previous research.

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 수동 소자를 이용한 3개의 공진기를 적용함으로써 공통 모드 노이즈를 흡수하는 소형 CMF를 설계 및 제작하였다. 기존의 공통 모드 노이즈를 흡수하는 CMF에 비해 크기가 약 60 % 감소하였으며, 대역폭 내에서 최소 78.
본 논문에서는 수동소자를 이용한 3개의 공진기를 적용하여 공통 모드 노이즈를 흡수하는 소형 CMF를 제안하였다. 제안된 CMF는 SMD 유형의 수동 소자를 이용하여 회로의 크기가 감소하였으며, 저항을 이용하여 공통 모드에서 반사되어 돌아오는 노이즈를 흡수할 수 있도록 하였다.

제안 방법

등가회로 소자값의 범위를 정한 후 회로 해석을 통해 얻은 표 1의 조건식을 만족하는 등가회로 소자값을 구하였다. 이후 선로 간의 결합 현상, 선로의 구부러짐에 의한 커패시턴스 영향 등을 고려하기 위해 EM 시뮬레이션으로 등가회로 소자값을 구조 최적화하였다.
본 논문에서는 |Scc11|, |Scc21|,|Sdd11|<−10 dB인 주파수 범위를 공통 모드 흡수 대역폭(common mode absorption-fractional bandwidth: CMA-FBW)으로 정의하였다.
등가회로 소자값의 범위를 정한 후 회로 해석을 통해 얻은 표 1의 조건식을 만족하는 등가회로 소자값을 구하였다. 이후 선로 간의 결합 현상, 선로의 구부러짐에 의한 커패시턴스 영향 등을 고려하기 위해 EM 시뮬레이션으로 등가회로 소자값을 구조 최적화하였다. 최적화된 등가회로 소자값은 표 2와 같다.
본 논문에서는 수동소자를 이용한 3개의 공진기를 적용하여 공통 모드 노이즈를 흡수하는 소형 CMF를 제안하였다. 제안된 CMF는 SMD 유형의 수동 소자를 이용하여 회로의 크기가 감소하였으며, 저항을 이용하여 공통 모드에서 반사되어 돌아오는 노이즈를 흡수할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

참고문헌 [5]에 비해 회로 크기는 감소하였지만, 좁은 대역폭과 큰 차동 모드 삽입손실을 가지고 있다. 제안된 CMF는 수동소자를 이용한 3개의 공진기를 이용하였다. 기존의 수동 소자를 이용한 참고문헌[5]와 비교하여 우수한 공통 모드 반사손실 특성과 차동모드 삽입손실 특성을 보이며, 더 넓은 공통 모드 흡수 대역폭을 갖는다.
참고문헌 [6]은 1개의 미앤더 구조의 λ/4 공진기와 수동소자를 이용한 2개의 공진기를 이용하였다.

이론/모형

그림 5는 제안된 CMF의 측정치와 시뮬레이션 결과를 보여준다. EM 시뮬레이션은 SEMCAD X^[8]를 이용하였으며, Keysight사의 VNA(Vector Network Analyzer) E5080A를 이용하여 측정하였다. 본 논문에서는 |S_cc11|, |S_cc21|,|S_dd11|<−10 dB인 주파수 범위를 공통 모드 흡수 대역폭(common mode absorption-fractional bandwidth: CMA-FBW)으로 정의하였다.

성능/효과

본 논문에서는 수동 소자를 이용한 3개의 공진기를 적용함으로써 공통 모드 노이즈를 흡수하는 소형 CMF를 설계 및 제작하였다. 기존의 공통 모드 노이즈를 흡수하는 CMF에 비해 크기가 약 60 % 감소하였으며, 대역폭 내에서 최소 78.2 % 이상의 공통 모드 흡수 효율을 보여준다. 제안된 필터는 반사되어 돌아가는 공통 모드 노이즈를 흡수하여 통신 품질을 향상시키며, 전자기기의 집적화 현상으로 인한 소형화 요구에 맞춰 집적회로에 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

2 % 이상의 공통 모드 흡수 효율을 보여준다. 제안된 필터는 반사되어 돌아가는 공통 모드 노이즈를 흡수하여 통신 품질을 향상시키며, 전자기기의 집적화 현상으로 인한 소형화 요구에 맞춰 집적회로에 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공통 모드 노이즈는 고속 디지털 회로 시스템에서 어떤 문제로 이어질 수 있는가?	그러나 실제 시스템 회로에서는 제한된 PCB 공간상의 소자 배치 문제로 비대칭적인 신호선 사용이 증가하고 있으며, 이로 인해 모드변환에 의한 공통 모드 노이즈가 발생되고 있다. 이러한 공통 모드 노이즈는 고속 디지털 회로 시스템에서 심각한 EMI 또는 RFI(Radio Frequency Interference) 문제로 이어진다[1]～[2].
	차동신호 전송의 장점은?	차동신호 전송(differential signaling)은 외부 노이즈에 강하며, EMI(Electromagnetic Interference)가 감소한다는 장점이 있다. 따라서 USB, HDMI, Thunderbolt 등과 같은 고속 차동 인터페이스에 사용된다.
	차동신호 전송은 어디에 사용되는가?	차동신호 전송(differential signaling)은 외부 노이즈에 강하며, EMI(Electromagnetic Interference)가 감소한다는 장점이 있다. 따라서 USB, HDMI, Thunderbolt 등과 같은 고속 차동 인터페이스에 사용된다. 그러나 실제 시스템 회로에서는 제한된 PCB 공간상의 소자 배치 문제로 비대칭적인 신호선 사용이 증가하고 있으며, 이로 인해 모드변환에 의한 공통 모드 노이즈가 발생되고 있다.

참고문헌 (8)

T. W. Koo, H. S. Lee, and J. G. Yook, "Recent trends in system-level EMC investigation and countermeasure technology for RF interference due to high-speed digital system noise," Journal of Korean Institute of Electro-magnetic Engineering and Science, vol. 25, no. 10, pp. 966-982, Oct. 2014.

원문보기 상세보기
P. J. Li, Y. C. Tseng, C. H. Cheng, and T. L. Wu, "A novel absorptive common-mode filter for cable radiation reduction," IEEE Transactions on Components, vol. 7, no. 4, pp. 511-518, Apr. 2017.
H. Hung, S. Yoon, Y. Kim, S. Bae, and Y. Lim, "Method for high frequency modeling of common-mode choke," Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 28, no. 12, pp. 964-973, Dec. 2017.
L. Lin, J. Bao, J. J. Du, and Y. M. Wang, "Differential wideband bandpass filters with enhanced common-mode suppression using internal coupling technique," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 24, no. 5, pp. 300-302, May 2014.

상세보기
W. Zhang, Y. Wu, Y. Liu, C. Yu, A. Hasan, and F. M. Ghannouchi, "Planar wideband differential-mode bandpass filter with common-mode noise absorption," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 27, no. 5, pp. 458-460, May 2017.

상세보기
T. Y. Lin, T. L. Wu, "Balanced bandpass filter with reflectionless common-mode suppression," in 2016 IEEE Electrical Design of Advanced Packaging and Systems (EDAPS), Honolulu, HI, Apr. 2017, pp. 17-19.
J. S. Hong, M. J. Lancaster, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, John Wiley & Sons, 2001.
SEMCAD X by SPEAG. Available: http://www.zurichmedtech.com, http://www.speag.com.

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