EMC / Compliance2026년 4월 11일10분 읽기

EMI 필터 설계: CISPR 규정 준수를 위한 LC 필터 계산

전도 방출 규정 준수를 위한 EMI 필터를 설계합니다.LC 필터 토폴로지 선택, 차단 주파수 계산, 공통 모드와 차동 모드 필터링, CISPR 32 제한을 다룹니다.

전도성 배출 문제

벤치에서 잘 작동하는 스위치 모드 전원 공급 장치를 구축했습니다.완벽하게 조절되고 효율성이 뛰어나며 열 성능도 견고합니다.그런 다음 EMC 실험실로 가져가면 300kHz에서 전도 방출 성능이 15dB 떨어집니다.클럽에 오신 것을 환영합니다.

전도 방출은 제품이 AC 주전원 또는 DC 공급 라인으로 다시 밀어내는 노이즈 전류입니다.모든 스위칭 컨버터, 모터 드라이버, LED 드라이버 및 디지털 회로에서 발생하는 고주파 노이즈는 전원 코드를 통해 역류하여 동일한 그리드에 있는 다른 장비를 방해할 수 있습니다.이것이 지구상의 모든 국가에서 전도성 배출을 규제하는 이유이며, 모든 전력 전자 엔지니어에게 EMI 필터 설계가 중요한 기술인 이유이기도 합니다.

좋은 소식은 물리학만 이해하면 LC 필터가 전도 방출을 억제하는 데 매우 효과적이라는 것입니다.나쁜 소식은 컴포넌트 값과 토폴로지를 정확하게 파악하려면 대부분의 엔지니어들이 생각하는 것보다 더 많은 생각이 필요하다는 것입니다.EMI 필터 LC 계산기 를 사용하여 개념을 살펴보면서 필터 설계를 빠르게 반복해 보세요.

CISPR 한도에 대한 이해

CISPR 32는 (CISPR 22를 대체함) 150kHz에서 30MHz까지의 전도 방출 제한을 정의합니다.다음과 같은 두 가지 제한 등급이 있습니다.

클래스	환경	준피크 제한 (150kHz)	평균 제한 (150kHz)
A	산업용	79 dB $\mu$ V	66 dB $\mu$ v
B	주거용	66 dB $\mu$ v	56 dB $\mu$ v

한계는 주파수가 증가함에 따라 감소합니다. 150kHz에서 500kHz 사이에서는 약 13dB씩 떨어지다가 500kHz에서 5MHz 사이에서는 비교적 평탄한 상태를 유지하고 5MHz에서 30MHz 사이에서는 10dB 더 감소합니다.

가장 아픈 것은 클래스 B입니다.소비재, IT 장비 등 주거 환경에서 사용되는 모든 제품은 클래스 B를 충족해야 합니다. 이는 전반적으로 클래스 A보다 13dB 더 높은 수치입니다.산업용 제품의 경우에도 B등급으로 설계하는 엔지니어가 많습니다. 클래스 B 마크를 획득하면 더 많은 시장이 열리기 때문입니다.

FCC 파트 15 하위 파트 B에는 비슷한 제한이 있지만 CISPR 22 방법론을 사용합니다.CISPR 32 클래스 B를 통과하면 거의 확실하게 FCC에 합격하게 됩니다.

디퍼런셜 모드 vs. 커먼 모드 노이즈

이는 EMI 필터 설계에서 가장 중요한 단일 개념이며, 필터가 예상대로 작동하지 않는 가장 큰 이유는 이 개념이 잘못되기 때문입니다.

차동 모드 (DM) 노이즈는 라인과 중성 도체에서 반대 방향으로 흐릅니다.이는 스위칭 컨버터 자체에서 소모되는 맥동 전류 때문에 발생합니다.500kHz에서 전류를 초핑하는 벅 컨버터는 500kHz, 1MHz, 1.5MHz 등에서 강한 DM 고조파를 생성합니다. 커먼 모드 (CM) 노이즈는 라인과 뉴트럴 모두에서 같은 방향으로 흐르다가 접지를 통해 되돌아옵니다.이는 스위칭 노드에서 섀시 접지로의 기생 커패시턴스 (히트싱크-MOSFET 커패시턴스, 트랜스포머 인터와인딩 커패시턴스, PCB 기생 커플링) 로 인해 발생합니다.

핵심 정보: 1~2MHz 미만에서는 DM 노이즈가 우세하고 2MHz 이상에서는 CM 노이즈가 우세합니다. 이러한 일반화는 대부분의 스위치 모드 컨버터에 적용되며 각 주파수에서 필터링 작업을 어디에 집중해야 하는지 알려줍니다.

스플릿 측정: 각 라인에 LISN (라인 임피던스 안정화 네트워크) 을 사용한 다음 $V_{DM} = (V_L - V_N)/2$ 및 $V_{CM} = (V_L + V_N)/2$ 계산하십시오.일부 EMC 수신기에는 이 작업을 자동으로 수행하는 CM/DM 식별 네트워크가 있습니다.

LC 필터 기초

기본 LC 로우패스 필터는 차단 주파수보다 40dB/10년간 높은 감쇠량을 제공합니다.이는 옥타브당 12dB, 즉 컷오프 이상으로 올라가는 10년마다 약 40dB의 감쇠량입니다.컷오프 주파수는 다음과 같습니다.

f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

단일 스테이지 LC 필터의 경우 컷오프보다 훨씬 높은 주파수

f

에서의 삽입 손실은 대략 다음과 같습니다.

\text{IL}(f) \approx 40 \log_{10}\left(\frac{f}{f_c}\right) \text{ dB}

설계 절차:

1.필터링되지 않은 전도 배출량을 측정 (또는 추정) 2.적용 한도와 비교하기 3.최악의 주파수에서 필요한 감쇠량을 결정합니다. 4.6-10dB의 마진 추가 (구성 요소 성능 저하, 기생충 성능 저하) 5. $f_c$ 를 선택하여 필요한 감쇠를 제공하십시오. 6.해당 $f_c$ 값을 달성하려면 L 및 C 값을 선택하십시오.

작업 예제

100kHz 벅 컨버터는 LISN에서 300kHz에서 85dB $\mu$ V를 보여줍니다.300kHz에서의 CISPR 32 클래스 B 준 피크 제한은 약 60dB $\mu$ v입니다. 다음이 필요합니다.

\text{Required attenuation} = 85 - 60 + 6 = 31 \text{ dB (with 6 dB margin)}

노이즈는 300kHz이고 스위칭 주파수는 100kHz이므로 필터 컷오프가 300kHz 미만이어야 합니다.300kHz에서 31dB의 경우:

31 = 40 \log_{10}(300/f_c)

f_c = 300 / 10^{31/40} \approx 300 / 10^{0.775} \approx 300 / 5.96 \approx 50 \text{ kHz}

따라서 약 50kHz의 컷오프가 있는 LC 필터가 필요합니다.

C = 1\,\mu

F (표준 X2 안전 커패시터 값) 를 선택해 보겠습니다.

L = \frac{1}{(2\pi f_c)^2 C} = \frac{1}{(2\pi \times 50 \times 10^3)^2 \times 10^{-6}} \approx 10 \text{ mH}

10mH 공통 모드 초크 또는 차동 모드 인덕터를 1

\mu

F 커패시터와 함께 사용하면 필요한 필터링 기능을 제공합니다.EMI 필터 LC 계산기 를 사용하여 이를 확인해 보십시오.

EMI 필터를 위한 부품 선택

인덕터

커먼 모드 초크는 동일한 코어에 라인과 뉴트럴이 모두 있고 권선이 서로 반대입니다.코어에서 정상 부하 전류 (차동 모드) 가 상쇄되므로 인덕터는 부하 시 포화되지 않습니다.공통 모드 전류에서만 전체 인덕턴스를 볼 수 있습니다.일반적인 값: 메인 필터의 경우 1~47mH.핵심 소재: 나노크리스탈 (최고의 광대역 성능), MnZn 페라이트 (1MHz 이상), NiZn 페라이트 (1MHz 이상). 디퍼런셜 모드 인덕터는 포화 없이 최대 부하 전류를 전달해야 합니다.이는 주어진 코어 크기에 대한 인덕턴스 값을 제한합니다.일반적인 값: 10-1000

\mu

H. 분말 철 코어는 포화 특성이 부드럽기 때문에 일반적으로 사용됩니다.

실용적인 문제: 인덕터 임피던스에는 자체 공진 주파수 (SRF) 가 있으며, 이 주파수를 초과하면 부품은 커패시턴스 상태가 되어 필터링을 중단합니다.SRF가 가장 우려되는 주파수보다 높은지 항상 확인하십시오.

커패시터

X 커패시터는 라인과 뉴트럴 사이를 오갑니다 (주전원에 걸쳐).차동 모드 노이즈를 억제합니다.안전 등급은 전압 및 서지 요구 사항에 따라 X1, X2 또는 X3입니다.일반적인 값: 100nF ~ 2.2

\mu

F. X2는 소비재에 대한 가장 일반적인 등급입니다. Y 커패시터는 라인 또는 뉴트럴 그라운드에서 접지로 전환됩니다.커먼 모드 노이즈를 억제합니다.안전 등급 Y1, Y2, Y3, Y4 — 숫자는 임펄스 전압 내성을 나타냅니다.Y2는 가전 제품에 일반적으로 사용됩니다.누설 전류 제한은 Y 커패시터 값을 의료 장비의 경우 약 4.7nF, 상용 제품의 경우 10-47nF로 제한합니다.이 값을 초과하면 터치 전류 (누설) 안전 테스트에 실패할 위험이 있습니다.

전체 EMC 전략에서 차폐가 필터링을 보완하는 방법에 대한 심층 분석을 보려면 케이블 실드 효과 계산기 를 참조하십시오.

다단계 필터 토폴로지

단일 스테이지 LC 필터는 40dB/10년을 제공합니다.더 필요하신가요?80dB/10년의 또 다른 스테이지를 추가하세요:

f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt[4]{L_1 C_1 L_2 C_2}}

가장 간단한 것부터 가장 효과적인 것까지 AC 주전원 EMI 필터의 일반적인 토폴로지:

1.C 전용 — X 및 Y 커패시터만 해당.빠른 수정, 제한된 감쇠.10-15dB에 적합합니다. 2.LC (파이 섹션) — 인덕터 1개+커패시터.주력 토폴로지.30-50dB에 적합합니다. 3.CLC (Pi-LC) — 커패시터-인덕터-커패시터.크기를 크게 늘리지 않고도 20dB를 더 추가할 수 있습니다. 4.LCLC (2단계) — 2개의 인덕터-커패시터 스테이지. 80dB/디케이드 롤오프.심각한 감쇠가 필요할 때 사용됩니다.

스테이지가 추가될 때마다 부품 비용과 보드 공간이 늘어나지만 고주파 감쇠는 크게 증가합니다.대부분의 제품에는 공통 모드 초크, X 커패시터 및 Y 커패시터를 갖춘 잘 설계된 단일 스테이지 필터로도 충분합니다.

필터의 성패를 좌우하는 실용적인 레이아웃 팁

입력과 출력을 분리하십시오. 가장 흔한 필터 레이아웃 실수는 필터링되지 않은 입력 트레이스를 필터링된 출력 트레이스 가까이에서 실행하는 것입니다.용량성 결합과 유도성 결합은 필터를 완전히 우회하여 20dB 이상의 성능을 저하시킬 수 있습니다. Y 커패시터를 저 임피던스 접지로 접지합니다. Y 커패시터에서 섀시 접지까지 이어지는 긴 트레이스 또는 와이어는 고주파에서 공통 모드 필터링을 감소시키는 인덕턴스를 추가합니다.짧고 넓은 트레이스를 섀시 접지 나사 또는 스프링 클립에 직접 사용하십시오. 필터를 전원 입력 지점에 놓으십시오. 필터는 PCB 트레이스가 방사되기 전에 주전원 연결부에서 가장 먼저 눈에 들어오는 위치여야 합니다.대부분의 제품은 전원 입력 모듈 자체에 필터를 장착합니다. 필터 아래의 접지면을 사용하십시오. EMI 필터가 주 PCB에 있는 경우, 그 아래에 있는 단단한 접지면은 기생 커플링을 줄이고 공통 모드 전류의 복귀 경로를 제공합니다. 전도 방출 필터 디자이너 를 사용하면 다단계 필터를 모델링하고 구성 요소 값이 전체 CISPR 주파수 범위에서 필요한 감쇠를 제공하는지 확인할 수 있습니다.

요약

전도 방출 규정 준수를 위한 효과적인 EMI 필터를 설계하는 것은 논리적인 프로세스를 따릅니다.

1.별도의 DM 및 CM 노이즈 — 서로 다른 필터 구성 요소 및 토폴로지가 필요합니다. 2.측정된 배출량에서 한도를 뺀 값과 6-10dB 마진을 더한 값으로필요한 감쇠량을 계산하십시오** 3. $f_c = 1/(2\pi\sqrt{LC})$ 를 사용하여차단 주파수를 설정하여 최악의 주파수에서 필요한 감쇠를 제공합니다. 4.안전 등급 부품 선택 — DM용 X 커패시터, CM용 Y 커패시터, CM 인덕턴스용 공통 모드 초크 5.기생충에 주의하세요 — 커패시터 ESR, 인덕터 SRF 및 PCB 레이아웃 커플링은 모두 실제 필터 성능을 저하시킵니다.

종이에서 작동하는 필터와 실험실에서 작동하는 필터의 차이는 거의 대부분 레이아웃과 부품 기생에 있습니다.계산부터 시작하여 EMI 필터 LC 계산기 로 검증한 다음 적절한 고주파 측정 기술을 사용하여 하드웨어에서 검증하십시오.