페라이트 비드를 사용하여 두 개의 접지를 연결할 수 있나요?

서론: 전자 회로에서의 페라이트 비드 사용

페라이트 비드는 전자 회로에서 널리 사용되는 부품으로, 특히 전원 공급 필터링, 고주파 간섭을 방지하기 위한 신호 전송, EMI(전자기 간섭) 보호에 사용됩니다. 하지만 우리는 페라이트 비드의 작동 방식을 완전히 이해하고 있을까요? 여기에 질문이 있습니다. 페라이트 비드가 전원 레일에 사용되는 것은 흔하지만 접지선을 연결하는 데 사용되는 것은 드뭅니다. 왜 그럴까요?

페라이트 비드의 구조

페라이트 비드의 구조는 간단합니다. 페라이트 코어를 통과하는 도체로 구성됩니다. 표면 실장 페라이트 비드는 본질적으로 코어 주위에 여러 번 감긴 와이어 코일입니다. 비드에 사용된 페라이트 재료는 입방 결정 구조를 가진 철-마그네슘 또는 철-니켈 합금으로 만든 페리자성 화합물입니다. 제조 공정과 기계적 특성은 세라믹과 유사하며 재료 색상은 짙은 회색입니다. 페라이트 재료는 높은 자기 투과성과 높은 주파수 손실이 특징이므로 고주파 응용 분야에 이상적입니다.

전기적 관점에서 페라이트 비드는 매우 낮은 DC 저항을 가지고 있으며, 이는 종종 무시할 수 있습니다. 저주파에서는 인덕턴스처럼 동작하며, 임피던스는 주로 인덕턴스에 의해 결정됩니다. 페라이트 코어의 높은 투자율로 인해 와이어가 코어를 한 번만 통과하더라도 인덕턴스는 여전히 상당합니다. 와이어를 통과하는 고주파 전류는 억제되고 코어의 손실이 낮아 높은 Q-팩터가 발생합니다. 페라이트 비드를 커패시터와 함께 사용하여 저역 통과 필터를 형성할 때 공진이 발생하여 간섭 노이즈가 증폭될 수 있습니다. 이러한 경우 적절한 기능을 보장하기 위해 감쇠 조치를 취해야 합니다.

더 높은 주파수에서 페라이트 코어의 손실은 더 두드러지고 임피던스는 이제 주로 저항 손실로 인해 발생합니다. 코어의 자기 투자율은 주파수가 증가함에 따라 감소하여 인덕턴스가 감소합니다. 그러나 저항 손실이 증가하여 전체 임피던스는 여전히 증가합니다. 주파수가 계속 상승함에 따라 페라이트 코어는 고주파 자기장을 흡수하는 능력을 잃고 비드는 커패시터처럼 작동합니다. 이로 인해 매우 높은 주파수에서 임피던스가 감소하여 비드가 더 용량적으로 작동합니다.

일반적으로 페라이트 비드는 고주파 노이즈를 억제하는 데 사용됩니다. 이를 위해 임피던스 곡선의 저항 영역에서 작동해야 합니다. 저항 영역은 비드의 "턴오버 주파수" 뒤에 나타나며, 여기서 유도 리액턴스와 저항 리액턴스가 동일합니다. 저항 영역은 페라이트 비드가 용량성이 될 때까지 확장됩니다.

때때로 페라이트 비드는 커패시터와 함께 사용되어 저역 통과 필터를 형성합니다. 이 경우 페라이트 비드는 유도 영역에서 사용해야 하며 작동 주파수는 턴오버 주파수를 초과해서는 안 됩니다. 이 영역에서 비드의 인덕턴스는 일반적으로 10-90nH 사이이며 인덕턴스 대신 페라이트 비드를 사용하면 다음과 같은 이점이 있습니다. 페라이트 비드는 Q 계수가 높고 인덕터보다 훨씬 저렴합니다.

페라이트 비드를 사용하여 접지를 연결할 수 있나요?

대부분의 사람들은 페라이트 비드를 사용하여 접지를 연결하여 한 접지 평면에서 다른 접지 평면으로 고주파 간섭을 분리합니다. 예를 들어, 디지털 접지를 아날로그 접지에서 분리하거나 민감한 회로 접지를 고전류 전원 회로에서 분리합니다. 그러나 접지선에 페라이트 비드를 배치하면 문제가 발생할 수 있습니다. 왜 이런 일이 발생하는지 분석해 보겠습니다.

접지선의 페라이트 비드는 제로 임피던스가 아닙니다. 사실, 페라이트 비드는 리턴 경로 임피던스를 증가시켜 접지 바운스나 노이즈로 이어질 수 있습니다. 따라서 접지선을 페라이트 비드로 연결하면 잠재적으로 문제가 발생할 수 있지만 항상 그런 것은 아닙니다. 일부 특수한 경우에는 접지에 페라이트 비드를 사용해도 문제가 되지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 신호가 차동 형태로 전송되는 경우 접지를 기준으로 사용하지 않거나 전기 절연 시스템과 같은 경우 접지에 페라이트 비드를 사용해도 문제가 발생하지 않을 수 있습니다.

어떤 경우든, 지상에서 페라이트 비드를 사용할지 여부는 목적에 따라 달라집니다. DC 및 고주파 조건에서 페라이트 비드의 다른 동작을 기억하는 것이 중요합니다.

주의 사항: 어떤 경우에는 쇼트키 다이오드 대신 페라이트 비드를 사용할 수 있습니다. 그러나 페라이트 비드는 정밀 시스템에서 문제가 될 수 있는 DC 접지 루프를 도입할 수 있습니다. 페라이트 비드는 몇 MHz 이상의 주파수에서 두 평면을 분리하는 동안 두 평면 사이에 DC 연결을 제공할 수 있으며, 이 경우 비드는 저항성이 됩니다. 그러나 이러한 DC 접지 루프는 고해상도 시스템에 적합하지 않을 수 있습니다.

실제 사례: ADC 회로의 접지 문제

한 제품에서 ADC 칩의 아날로그 접지와 시스템의 디지털 접지는 페라이트 비드를 통해 연결되었습니다. 뇌우 후 ADC 칩은 자주 오작동했습니다. 분석 결과 뇌우 중에 강한 간섭 신호가 외부 아날로그 센서 접지를 통과하여 ADC 칩의 아날로그 접지에 도달하는 것으로 밝혀졌습니다. 간섭은 임피던스가 가장 낮은 경로를 통해 소산되어야 했습니다. 그러나 고주파에서 페라이트 비드의 임피던스가 너무 높아서 신호가 ADC의 아날로그 접지 핀을 통해서만 소산될 수 있었고, 결국 칩이 손상되었습니다.

추가 조사 결과 ADC의 데이터시트에 아날로그 접지 핀이 매우 낮은 값의 저항을 통해 디지털 접지 핀에 내부적으로 연결되어 있다고 명시되어 있었습니다. 강한 간섭으로 인해 이 저항이 타버려 ADC가 오작동했습니다. 해결책은 페라이트 비드를 제거하고 납땜으로 연결을 단락시키는 것이었고, 이로써 문제가 해결되었습니다.

이 실제 사례는 회로 설계에서 페라이트 비드를 언제, 어디에 사용할지 고려하는 데 귀중한 참고 자료가 됩니다.

맺음말

페라이트 비드는 고주파 노이즈를 필터링하는 데 유용한 구성 요소이지만, 그 동작은 주파수와 회로에서의 배치에 따라 다릅니다. 페라이트 비드는 일반적으로 EMI 억제를 위해 전력선에 사용되지만 접지 회로에서의 사용은 신중하게 접근해야 합니다. 다양한 주파수에서의 특성과 동작을 이해하는 것은 회로에서의 적절한 기능을 보장하는 데 중요합니다. 접지 연결에 페라이트 비드를 사용하기로 결정하기 전에 항상 설계의 특정 요구 사항을 평가하십시오.