삽입 손실 및 필터 커패시터 성능 소개

앤서니 케니. 커패시터는 아날로그 및 디지털 회로 모두에서 원치 않는 신호를 제거하는 데 사용됩니다. 커패시터 또는 필터링 회로의 필터링 성능은 일반적으로 삽입 손실로 설명됩니다. 필터링 회로의 삽입 손실 성능에 큰 영향을 미치는 요인에는 필터링 요소의 구성, 임피던스 및 부하 전류가 있습니다.

회로에서 EMI 필터링
자연적이든 인공적이든 전기적 장애는 전자 회로의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 원치 않는 신호를 총칭하여 EMI(전자기 간섭)라고 합니다. 필터링 회로는 대부분의 아날로그 및 디지털 회로에서 이러한 원치 않는 신호를 제거하는 데 사용됩니다. 이러한 신호의 가장 일반적인 소스에는 조명, 폭풍, 강수, 전력선, 모터, 점화 시스템, 레이더 송신기, 전력 증폭기, 컴퓨터 시계 및 우주 소스가 있습니다.

필터링 회로의 요소 구성은 필터링 성능을 크게 결정합니다. 일반적으로 C 필터로 알려진 가장 단순한 필터링 구성은 단일 피드스루 커패시터로 구성됩니다. 용량성 및 유도성 요소의 조합을 사용하여 필터링 회로의 성능이 향상됩니다. 가장 일반적인 구성에는 L-C, T 및 Pi 구성이 포함됩니다. 용량성 및 유도성 요소의 수를 늘리면 필터링 회로의 성능이 향상됩니다.

추천 이미지:다양한 필터 토폴로지에 대한 삽입 손실 차트. 출처: S.Nelson, 미디엄

커패시터 및 회로의 삽입 손실 특성
EMI 필터링을 위한 커패시터를 선택할 때 고려해야 할 핵심 요소 중 하나는 삽입 손실 특성입니다. 이 매개변수는 일반적으로 필터가 추가되기 전과 후의 전압 비율로 정의됩니다. 기본 회로에서는 필터링 부품을 삽입하기 전과 후의 전압 값을 나누어 값을 구한다. 이 매개변수는 필터링 회로의 감쇠 수준을 크게 결정합니다. 회로 또는 부품의 삽입 손실 성능은 일반적으로 데시벨로 표시됩니다.

일반 커패시터는 삽입 손실 성능 특성이 좋지 않습니다. 고유 인덕턴스가 존재하면 원치 않는 전기 방해를 접지하는 능력이 감소합니다. 이 잔류 인덕턴스는 전극의 길이가 증가함에 따라 증가합니다. 또한 전극이 가늘수록 인덕턴스의 양이 많아집니다. 이 원치 않는 인덕턴스를 줄이고 커패시터의 필터링 성능을 향상시키려면 이러한 수동 부품의 아키텍처를 수정해야 합니다. 커패시터 아키텍처를 변경하고 세 번째 단자를 추가하면 잔류 인덕턴스를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 필터링 애플리케이션에 널리 사용되는 특수 등급의 용량성 소자인 피드스루 커패시터는 이 수정된 아키텍처를 기반으로 합니다.

두 개의 단자가 있는 커패시터에서는 구성 요소의 리드가 인덕터처럼 동작하기 때문에 잔류 인덕턴스가 더 높습니다. 세 번째 단자를 도입하면 용량성 구성요소와 직렬로 연결된 인덕턴스 구성요소를 줄이는 데 도움이 됩니다. 이것은 커패시터의 삽입 손실 특성을 크게 향상시킵니다. 이 잔류 인덕턴스를 줄임으로써 필터링 커패시터의 자체 공진 주파수가 증가합니다.

피드스루 커패시터는 탁월한 삽입 손실 성능을 제공하도록 특별히 설계되었습니다. 이 커패시터는 EMI 억제 및 바이패스 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 오늘날 필터링 회로에 사용되는 세라믹 피드스루 커패시터의 가장 일반적인 디자인은 원판형 및 관형 커패시터입니다. 플라스틱 필름 피드스루 커패시터는 높은 신뢰성이 요구되는 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다.

빈도에 따른 삽입 손실 변동
이상적인 커패시터와 실제 커패시터의 삽입 손실 특성은 약간 다릅니다. 이상적인 커패시터의 삽입 손실은 주파수가 증가함에 따라 증가합니다. 이에 비해 실제 부품의 삽입 손실은 일정 수준까지 주파수에 따라 증가합니다. 이 수준을 자기 공명 주파수라고 합니다. 이 레벨 이후에는 주파수가 증가함에 따라 실제 부품의 삽입 손실이 감소합니다.

공진 주파수보다 높은 주파수에서 잔류 인덕턴스가 일정하게 유지되면 필터의 삽입 손실 성능은 변하지 않습니다. 이러한 조건에서 부품의 커패시턴스를 높이거나 낮추는 것은 삽입 손실에 영향을 미치지 않습니다. 이것은 높은 주파수에서 노이즈 억제를 위해 높은 자기 공진 주파수를 가진 커패시터가 필요함을 의미합니다. 이러한 애플리케이션에는 잔류 인덕턴스가 작은 부품을 사용해야 합니다.

삽입 손실 성능을 결정하는 요소
회로나 부품의 삽입 손실 성능은 많은 요인에 의해 결정됩니다. 주요 요인 중 일부는 전기 구성, 부하 전류, 소스 임피던스, 부하 임피던스, 접지 임피던스, 구성 요소의 유전체 재료 특성 및 차폐 무결성입니다.

구성요소 구성
단일 요소를 사용하여 원하지 않는 신호를 제거할 수 있지만 대부분의 필터링 회로는 용량성 및 유도성 구성 요소의 조합을 사용합니다. 구성 선택은 대부분 원하는 삽입 손실 성능에 따라 결정됩니다. 가장 일반적인 구성에는 C, C-L, L-C, Pi 및 T가 포함됩니다. 아래 그림 참조:

이론적으로 단일 요소 필터는 10년당 20dB의 삽입 손실을 생성하는 반면 2요소 필터는 10년당 40dB를 생성합니다. 3개 이상의 요소로 회로를 필터링하면 삽입 손실 성능이 훨씬 향상될 수 있습니다. 다중 용량성 및 유도성 요소가 있는 필터링 회로는 높은 수준의 필터링 성능이 요구되는 회로에 사용됩니다. 실제 삽입 손실 성능은 사용된 구성 요소의 실제 특성에 따라 결정됩니다. 이 정보는 일반적으로 데이터 시트에 제공됩니다. 필터링 회로의 구성을 선택할 때 소스 및 부하 임피던스를 고려하는 것이 중요합니다.

부하 전류
삽입 손실에 대한 부하 전류의 영향은 사용되는 필터링 요소의 속성에 따라 크게 결정됩니다. 유도성 소자가 있는 필터링 회로의 경우 페라이트 인덕터를 사용하면 삽입 손실이 떨어질 수 있습니다. 이 효과의 정도는 페라이트 재료의 특성에 따라 다릅니다.

회로 임피던스
필터링 회로의 삽입 손실 성능은 소스 및 부하 임피던스에 크게 의존합니다. 이 성능은 일반적으로 용량성 및 유도성 요소의 적절한 구성을 선택하여 최적화됩니다.

결론
축전기는 아날로그 및 디지털 회로 모두에서 원치 않는 신호를 제거하는 데 사용됩니다. 커패시터 또는 필터링 회로의 필터링 성능은 일반적으로 삽입 손실로 설명됩니다. 필터링 회로의 삽입 손실 성능에 큰 영향을 미치는 요인에는 필터링 요소의 구성, 임피던스 및 부하 전류가 있습니다.

기존의 커패시터는 삽입 손실 성능이 좋지 않아 더 나은 성능이 필요한 경우 3단자 부품을 사용합니다. 최적의 삽입 손실 성능을 위해 다중 용량성 및 유도성 요소로 구성된 필터링 회로가 사용됩니다.