고속 차동 데이터 전송과 공통 모드 노이즈 문제, 공통 모드 필터 및 적층 공통 모드 필터의 구조와 동작에 대해 설명합니다.
최근 디지털 통신 인터페이스는 USB 및 HDMI를 비롯한 차동 모드(Differential Mode)에서의 데이터 전송이 주류가 되고 있습니다.
데이터 전송 속도를 고속화하려면 진폭을 줄임으로써 전이 시간을 상대적으로 줄이고 전송율을 높이는 방법이 있습니다. 기존의 단일 종단 전송(Single-end)에서는 저 진폭화가 외래 노이즈와 접지 영향을 비교적 받기 쉽다는 문제가 있었습니다.
그러나 차동 전송에서는 등진폭으로 역상 신호를 2선 1쌍(D+/D-)으로 전송하여 그 차분을 취하기 때문에 외래 노이즈나 접지(Ground)의 영향을 받기 어렵고, 또한 두선 주변의 자기장은 취소되어 불필요한 방사가 적다는 경우도 있어, 대부분의 고속 데이터 통신에서는 차동 전송 방식을 채용하고 있습니다.
이러한 차동 전송에서도 공통 모드(Common Mode) 노이즈가 발생할 수 있습니다. 커패시턴스 커플링을 통해 다른 회로의 노이즈 중첩이나 D + / D- 신호의 불균형이 있는 경우 등에 발생합니다. 후자는, 예를 들면 PCB 패턴에 있어서의 배선 길이의 차 등에 의해 일어나는 스큐(Skew), D+/D- 신호의 엣지 레이트(Edge Rate)의 차, 펄스 폭의 차, 전송 선로의 비대칭성이 강한 경우에 발생하는 차동 신호의 일부가 공통 모드로 변환되는 모드 변환 등이 있습니다.
이러한 경우에 발생하는 공통 모드 노이즈는 차동 신호의 주파수 대역과 동일한 주파수 대역에서 발생하기 때문에, 종래의 싱글 엔드 아날로그 회로에서 사용되고 있던 주파수 분리형 Low Pass Filter (LPF)로는 공통 모드 노이즈를 제거할 수 없습니다. 따라서 데이터 신호 = 차동 모드와 노이즈 = 공통 모드를 전송 모드의 차이로 분리할 수 있는 공통 모드 노이즈 필터가 차동 전송에서 표준 필터로 오늘날 널리 사용되고 있습니다.
공통 모드 노이즈 필터는 차동 전송로에서 D+/D-에 연결되는 두 개의 코일을 갖추고 두 개의 코일이 자기 결합된 구조로 되어 있습니다.
이러한 구조의 필터에 차동 모드 신호와 공통 모드 노이즈가 들어왔을 때, 어떠한 작용을 미치는지에 대해 자기 결합 상태를 등가적으로 나타낸 그림을 바탕으로 설명하겠습니다.
차동 모드 신호가 들어왔을 때에는 자기 결합 회로는 D+ 신호에 의해 발생한 자속과 D- 신호에 의해 발생한 자속이 캔슬되어 임피던스가 발생하지 않고 차동 모드 신호는 통과합니다. 한편, 공통 모드 노이즈가 들어왔을 때에는, D+ 신호와 D- 신호에 의해 발생한 자속이 서로 강해져 높은 임피던스가 발생해, 공통 모드 노이즈의 통과를 방해합니다.
즉, 공통 모드 노이즈 필터는 차동 모드 신호에 대해서는 전송선로로 동작하고 공통 모드 노이즈에 대해서는 인덕터로 동작합니다.
이 공통 모드 노이즈에 대한 인덕터로서의 임피던스를 공통 모드 임피던스라고 부르며, 공통 모드 노이즈 제거 성능을 나타내는 대표 지표로서 통상 100MHz에서의 임피던스 값이 사용됩니다. 이와 같이 D＋/D- 전송로 간의 코일에서의 자기 결합 구조가 차동 신호와 공통 모드 노이즈를 분리할 수 있는 키 요소가 됩니다.
실제 당사의 적층 공통 모드 노이즈 필터의 구조를 그림 3-1에 나타냅니다.
당사 제품의 특징은 종래의 인쇄 공법으로는 할 수 없었던 파인 피치의 코일 형성을 도금 공법으로 실현해, 이 미세 코일 도체와 자성 재료를 이용하는 것으로 공통 모드 노이즈 제거 능력을 높였습니다.
또한, 코일 도체 주변은 저손실 유전체 재료를 배치한 이종(異種) 재료 적층 구조로 되어 있어, 2개의 코일 간의 높은 자기 결합과 기생 용량 등의 기생성분을 저감함으로써 차동 모드에서의 손실을 억제, 고속 데이터 전송에 대응하고 있습니다. 차동 모드의 신호를 입력했을 때와 공통 모드 노이즈를 입력했을 때의 제품 내부의 자기장 분포를 나타낸 것을 그림 3-2에 나타냅니다.
전 항에서 설명한 바와 같이, 차동 모드에서는 코일 간에만 자기장이 발생하고, 그 주변의 자기장은 캔슬되어 차동 전송 선로로써 작용하고 있는 것을 알 수 있습니다. 한편, 공통 모드 노이즈에 대해서는 두 개의 코일 전체에서 큰 자기장이 보여 인덕터로써 일하고 있는 것을 알 수 있습니다.
노이즈 필터 효과