차동 및 공통 노이즈의 개념과 저감 대책 (Differential and Common Mode Noise)

 

 

 

안녕하세요 Brandy입니다. 오늘은 차동 및 공통 노이즈의 개념과 회로 레벨에서의 저감 대책에 대해 알아보겠습니다.

 

회로 도선을 따라 흐르는 전도 노이즈는 전도 방법에 따라 및 차동 모드 노이즈(Differential Mode Noise)와 공통 모드 노이즈(Common Mode Noise)로 구분합니다.

 

 

<차동 모드 노이즈>

 

차동 모드 노이즈 진행 방향

 

차동 모드 노이즈는 가장 익숙한 형태의 노이즈일 것 같습니다. 모든 전류(신호)는 Source에서 출발해서 다시 Source로 돌아와야 합니다. 회로 내부에 모종의 Noise source가 발생한다면 회로를 타고 다시 Noise source로 돌아오게 됩니다.

 

이 때 "전원단 기준"으로 Noise가 들어가는 방향과 돌아오는 방향이 반대이기 때문에 차동(Differential) 모드 노이즈라고 부르게 되었습니다. 

 

물론 Noise는 같은 방향을 유지하며 회로를 돌고 있지만, 밑에 소개할 공통 모드 노이즈와 구분하기 위해 전원단 기준으로 노이즈가 나가고 / 들어온다는 관점에서 반대 방향이라고 부르는 것입니다.

 

또한 차동 모드 노이즈의 방향은 회로 전류의 방향과 일치하기에 노멀 모드 노이즈(Normal Mode Noise)라고 부르기도 합니다. 

 

 

<공통 모드 노이즈>

 

 

공통 모드 노이즈 진행 방향

 

 

차동 모드 노이즈와 달리 공통 모드 노이즈의 Noise source는 회로 외부에 존재합니다. 회로와 외부 Ground surface 사이에는 부유 커패시턴스가 형성될 수 있는데요. 이론적으로 모든 물체 사이에는 부유 커패시턴스가 존재한다고 할 수 있습니다.

 

아무튼 이런 부유 커패시턴스를 통해 회로 외부에도 Noise가 생성되고 흐를 수 있는 가상의 회로가 만들어지는데요. 이 때 해당 Noise는 위의 그림과 같이 전원단 기준에서 같은 방향으로 나뉘어져 흐르게 됩니다. 그래서 공통(Common) 모드 노이즈라고 부르게 되었습니다.

 

그럼 다음으로는 이런 노이즈들을 저감할 수 있는 방법을 알아겠습니다.

 

 

<차동 모드 노이즈 대책>

 

 

차동 모드 노이즈와 LC필터

 

 

먼저 차동 모드 노이즈는 일반적인 형태의 필터로 제거를 하게 됩니다. 위는 간단한 LC필터(Low pass filter)를 부하 앞단에 달아준 모습입니다. 전기공부를 하면서 배웠던 일반적인 필터들이 차동 모드 노이즈를 제거하기 위한 필터들입니다.

 

직관적으로 인덕터는 Noise source와 직렬로, 커패시터는 병렬로 연결하면 필터 역할을 한다고 생각하시면 됩니다.

 

 

<공통 모드 노이즈 대책>

 

 

다음으로 공통 모드 노이즈는 약간은 새로운 형태의 필터를 적용하게 됩니다.

 

공통 노이즈 모드 Choke(Blocking) Coil 필터

 

 

위 그림을 보시면 인덕터 두개가 대칭적으로 배치된 것을 확인할 수 있습니다. 직관적으로 인덕터가 Noise source에 대해 직렬로 연결되었으니 공통 모드 노이즈를 막아줄 것으로 생각됩니다.

 

그런데 중요한것이, 실제 구조는 독립적인 인덕터 두개가 아니라 Choke coil이라는 것인데요, Choke coil에 대해 알아보겠습니다.

 

 

Choke coil 구조와 전류 및 자속

 

 

Choke coil은 위와 같이 하나의 매개 코일을 두고 대칭적으로 인덕터를 감은 형태입니다. 이는 노멀(차동) 모드로 흐르는 기본 신호나 전류를 왜곡 없이 최대한 유지하기 위해서인데요.

 

노멀 모드 전류에 의해 유도되는 Magnetic flux는 서로를 상쇄하는 방향으로 생성됩니다. 오른나사 법칙을 적용하면 알 수 있으며 위 그림에도 자속의 형성 방향이 나와 있습니다.

 

따라서 Choke coil은 노멀 모드 전류에 대해서는 인덕터로 작용하지 않습니다. 기본 신호는 인덕터의 방해 없이 잘 흐를 수 있는 것이죠.

 

반면에 공통 모드 전류에 대해서는 Magnetic flux가 서로를 강화하는 방향으로 형성되어 결과적으로 "두 배의 인덕턴스"가 작용하게 됩니다.

 

Choke coil의 인덕턴스 두 배 효과

 

 

즉, 독립된 인덕턴스 두개를 사용하면 오히려 임피던스는 절반으로 줄어들지만 Choke coil을 사용하면 임피던스가 두배가 되니, 노멀 모드 신호는 제대로 통과시키고 공통 모드 신호는 효과적으로 막아낼 수 있는 것입니다.

 

그래서 대부분 파워서플라이를 보면 입력단에 Choke coil을 배치한 것을 확인할 수 있습니다.

 

 

파워 서플라이 입력단 필터

 

 

 

또한 위 그림과 같이 X-Y 커패시터를 추가하기도 하는데요, X 커패시터는 선간 커패시터로 차동 모드 노이즈 제거 효과를 가지며, Y 커패시터는 Ground 기준으로 병렬 배치하여 공통 모드 노이즈 제거 효과를 가집니다.

 

차동 모드 및 공통 모드 노이즈의 방향을 이해하셨다면 X-Y 커패시터의 역할도 쉽게 이해하실 수 있겠습니다.

 

감사합니다!

 

 

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