LC필터(LC Filter)의 이해와 활용

LC필터는 인덕터(L)와 커패시터(C)를 조합하여 전기 신호의 특정 주파수 대역을 차단하거나 통과시키는 회로를 말합니다.

LC필터는 인덕터(L)와 커패시터(C)를 조합하여 전기 신호의 특정 주파수 대역을 차단하거나 통과시키는 회로를 말합니다.
커패시터(콘덴서)는 직류 전류는 차단하고 교류의 주파수가 높을수록 통과시키기 쉬운 성질을 가지고 있습니다. 반면 인덕터는 직류 전류는 그대로 통과시키고 교류의 주파수가 높을수록 통과가 어려워지는 성질을 가지고 있습니다.
이처럼 커패시터와 인덕터는 정반대의 성질을 가진 수동 부품이지만, 이 상반된 성질을 가진 부품을 조합하여 노이즈를 차단하거나 특정 신호를 추출할 수 있습니다.

1. LC필터의 종류

LC필터를 크게 3종류로 나눌 수 있습니다.

① 로우패스 필터(LDF)

직류나 저주파 신호를 통과시키고 고주파 신호를 차단하는 필터 회로입니다.
가장 널리 사용되는 필터 회로로 주로 고주파 노이즈 차단에 사용됩니다.
또한 오디오에서는 저음용 스피커의 고음/중음 성분을 차단하는 데 사용됩니다.

② 하이패스 필터(HPF)

직류나 저주파 신호를 차단하고 고주파 신호를 통과시키는 필터 회로입니다.
가청 영역의 저주파 노이즈 차단, 고음용 스피커의 중음/저음 성분 차단 등에 사용됩니다.

③ 밴드패스 필터(BPF)

특정 주파수의 신호만 통과시키고 그 외의 주파수의 신호는 차단하는 필터 회로입니다.
라디오의 방송국 선택(주파수 매칭), 중음용 스피커의 저음/고음 성분 차단 등에 사용됩니다.

2. 로우패스 필터의 종류

커패시터와 인덕터는 각각 단독으로도 노이즈 제거 효과가 있지만, 두 부품을 결합하면 큰 노이즈 제거 효과를 얻을 수 있습니다. 직렬로 연결된 인덕터는 고주파 노이즈를 차단하고, 병렬로 연결된 커패시터는 고주파 노이즈를 바이패스하는 역할을 합니다.
그러나 입력측과 출력측의 외부 임피던스의 고저에 따라 노이즈 제거 효과는 달라집니다. 예를 들어, 낮은 임피던스의 커패시터로 노이즈를 바이패스하려고 해도 출력 임피던스가 그보다 더 낮으면 노이즈는 부하 쪽으로 흘러들어갑니다. 반대로 높은 임피던스의 인덕터로 노이즈를 차단하려고 해도 출력 임피던스가 그보다 높으면 노이즈가 부하 쪽으로 흐르게 됩니다. 따라서 외부 임피던스가 높으면 커패시터를 근처에 배치하고, 외부 임피던스가 낮으면 인덕터를 근처에 배치합니다.
이처럼 외부 임피던스를 고려하여 로우패스 필터는 다음과 같이 4가지 종류를 구분하여 사용합니다.

① L형 필터(1) 입력 임피던스 ⇒ 높음 출력 임피던스 ⇒ 낮은 경우
② L형 필터(2) 입력 임피던스 ⇒ 낮음 출력 임피던스 ⇒ 높은 경우
③ π형 필터 입력 임피던스 ⇒ 높음 출력 임피던스 ⇒ 높은 경우
④ T형 필터 입력 임피던스 ⇒ 낮음 출력 임피던스 ⇒ 낮은 경우

단, L형 보다 π형·T형의 노이즈 제거 효과가 더 크기 때문에 이를 고려하여 회로를 선정합니다.

3. 로우 패스 필터에 따른 부품 선정

신호 회로에서 신호 파형에서 노이즈를 제거하려는 경우, 신호의 주파수에서는 감쇠하지 않고 노이즈의 주파수에서 감쇠가 커지는 부품 정수를 선정해야 합니다. 전원 회로에서 직류 전압에서 노이즈를 제거하고자 하는 경우, 직류의 감쇠는 0이므로 노이즈의 주파수 감쇠량만 고려하면 됩니다.

필터의 감쇠 특성(주파수에 따른 감쇠량 변화)은 계산으로 구할 수 있지만, 실제 커패시터와 인덕터에는 순수한 정전 용량이나 인덕턴스 외에 성능을 좌우하는 성분이 포함되어 있기 때문에 단순하게 계산할 수 없습니다.

L형 필터에서 커패시터와 인덕터의 실제 등가 회로를 기반으로 한 회로도를 보여줍니다.
커패시터에는 정전 용량(C) 외에 등가 직렬 저항(ESR)과 등가 직렬 인덕턴스(ESL)가 포함되어 있고, 인덕터에는 인덕턴스(L) 외에 직류 저항(DCR)과 기생 용량(Cp)이 포함되어 있습니다.

커패시터가 C 성분만 있다면 주파수가 높아질수록 임피던스가 낮아져 노이즈 흡수 효과가 커지지만, 실제 커패시터에서는 ESR에 의해 임피던스의 하한값이 정해져 있고, 고주파 대역에서는 ESL에 의해 임피던스가 높아져 노이즈 흡수가 어려워집니다.
또한 인덕턴스가 L성분만 있다면 주파수가 높아질수록 임피던스가 높아져 노이즈 차단 효과가 커지지만, 실제로는 인덕터에 포함된 Cp에 의해 고주파 대역에서는 임피던스가 낮아져 노이즈 차단 효과가 떨어지게 됩니다.
또한, 각 성분도 주파수에 따라 값이 변하기 때문에 이러한 요소들을 모두 고려하여 부품을 선정하는 것은 상당히 어렵습니다.

 

따라서 LC 필터에서는 시뮬레이션 툴을 사용하여 부품을 선정하는 방법이 많이 사용됩니다.
일반적으로 시뮬레이션 툴에서는 부품의 품번별로 제공되는 S 파라미터나 SPICE 모델을 이용하여 주파수별 정확한 감쇠량을 계산할 수 있습니다.

4. 시뮬레이션 툴을 이용한 부품 선정 사례

당사가 웹에 공개하고 있는 「산업・차량용 LC 필터 시뮬레이터」를 이용하여 차량용 ECU에서 라디오 노이즈가 유출되지 않도록 하기 위한 LC 필터의 부품 선정 사례를 소개합니다.

라디오 노이즈에는 AM 대역(1MHz 부근)과 FM 대역(80MHz 부근)이 있으며, 이 두 주파수 대역에서의 감쇠량이 -60dB 이상을 만족하는 부품을 선정합니다.

• 타겟 주파수 : 1MHz, 80MHz
• 타겟 감쇠량 : -60dB
• 입력/출력 임피던스 : 50Ω

1) 회로 선택

L형, π형, T형 중에서 선택합니다.
이번에는 π형을 선택하고 입출력 임피던스를 50Ω으로 설정합니다.

2) 부품을 선택

등록된 부품 중에서 임의의 커패시터 부품 번호와 인덕터 부품 번호를 선택합니다.
이번에는 ①100μF의 커패시터와 10μH의 인덕터, ②10μF의 커패시터와 1μH의 인덕터의 두 가지 조건으로 시뮬레이션을 진행하였습니다.

선택 ①

선택 ②

3) 시뮬레이션 결과

시뮬레이션 결과, 목표값에 만족한 것은 선택② 조합이었습니다. 실제로는 회로와 부품의 다양한 조합을 시뮬레이션하여 최적의 부품을 선정합니다.

이번 시뮬레이션에서는 C값과 L값이 큰 조합보다 C값과 L값이 작은 조합이 목표치를 만족하는 결과를 얻었습니다. 이는 고주파 대역에서 커패시터의 ESL과 인덕터의 Cp의 영향이 크게 나타났기 때문입니다.
저주파 대역(대체로 0.1MHz 이하)에서는 ESL과 Cp의 영향이 적고, 거의 C값과 L값만으로 감쇠량이 결정되므로 C값과 L값이 큰 ①의 감쇠량이 커집니다. 그러나 FM대역(80MHz)과 같은 고주파 대역에서는 ESL과 Cp 값이 큰 ①의 감쇠량이 작아지기 때문에 감쇠량이 역전되었습니다.
(동일한 사양의 부품이라면 C값이 큰 것이 ESL도 크고, L값이 큰 것이 Cp도 커집니다)

이처럼 LC 필터 설계 시 커패시터의 ESL과 인덕터의 Cp를 고려한 부품 선정이 이루어지지 않으면 예측과 다른 결과가 나올 수 있으므로 주의가 필요합니다.

5. LC 필터 시뮬레이터

산업 및 차량용에 적합한 당사의 파워 인덕터와 알루미늄 전해 커패시터로 필터를 구성했을 때의 감쇠량 특성을 시뮬레이션할 수 있는 콘텐츠입니다. 산업 및 차량용 필터의 부품 선정에 활용하시기 바랍니다.

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