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Ferrite bead
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안녕하세요. 삼코치님 질문이 있습니다.
이해가 조금 어려운 부분인데요.
Ethernet 통신은 100MHz-500MHz로 나와있고, MII의 경우도 100MHz가 표준이라고 확인을 했습니다. 이런 Ferrite Bead를 사용하게 되면 해당 주파수만 강하게 억제되고 나머지 주파수 대역만 통과하는 그런 필터가 되어 버리지 않나요? 100MHz 의 통신을 하는데 강하게 억제가 되어버린다면 통신감쇠가 되어 통신이 불안정하게 될거라고 생각이 되는데... 답변해주 시면 감사하겠습니다.!
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안녕하세요, 답변 남겨드립니다.
Ferrite Bead의 동작 원리를 Ethernet 같은 고속 통신 회로와 연결지어 생각해보면, 질문 주신 의문이 자연스럽게 나오실 수 있습니다. 표면적으로 보면 Ethernet PHY는 100MHz 대역(MII의 경우 25MHz, RMII는 50MHz, GMII/SGMII는 최대 125MHz 이상, 실제 신호 스펙트럼은 수백 MHz까지 포함)에서 동작하는데, Ferrite Bead의 임피던스 특성 곡선을 보면 100MHz~500MHz 부근에서 가장 높은 억제 성능을 갖는 경우가 많습니다. 따라서 직관적으로는 "PHY가 사용하는 신호 대역을 Ferrite Bead가 막아버리는 것 아닌가?"라는 혼란이 생기게 됩니다.
하지만 실제로는 Ferrite Bead의 동작이 단순한 Band-stop Filter처럼 특정 주파수 대역만 차단하는 방식이 아닙니다. Ferrite Bead는 일종의 주파수 의존성 저항(frequency-dependent resistance)처럼 동작하는데, 저주파에서는 매우 낮은 직류 저항(보통 수십 mΩ 수준)을 갖기 때문에 DC 전원이나 저주파 성분은 거의 감쇠 없이 통과시킵니다. 그러나 고주파 성분이 올라갈수록 내부 자성체에서 손실이 커지면서 임피던스가 증가하고, 결국 그 고주파 에너지가 열로 소모되어 노이즈 억제 효과가 나타납니다.
Ethernet 신호가 100MHz라고 할 때, 실제 데이터 파형은 순수한 사인파가 아니라 디지털 신호이므로 기본 주파수 외에 수많은 고조파 성분을 포함합니다. 예를 들어 100MHz 신호라 하더라도 300MHz, 500MHz, 그 이상의 고조파 성분이 파형의 에지를 형성합니다. 이때 Ferrite Bead는 주파수 응답상 100MHz 부근에서는 임피던스가 수십 Ω 정도로 비교적 완만하게 증가하는 반면, 수백 MHz 이상에서는 수백 Ω까지 임피던스가 급격히 올라가서 강하게 억제하게 됩니다. 즉, 기본 신호 대역은 상대적으로 통과시키되, 불필요한 고주파 노이즈 성분만 감쇠시키는 역할을 합니다.
실제 Ethernet PHY 설계에서는 신호선 자체에는 Ferrite Bead를 삽입하지 않고, 전원 라인과 접지 분리 포인트에 Ferrite Bead를 배치합니다. 예를 들어 PHY의 아날로그 전원 VDD_A와 디지털 전원 VDD_D 사이에 Ferrite Bead를 넣어서 고주파 크로스토크를 억제하는 방식이 대표적입니다. 이렇게 하면 통신 신호의 유효 주파수 성분은 보존하면서, 전원망을 타고 들어오는 EMI/EMC 노이즈나 불필요한 방사 성분만 줄일 수 있습니다.
현업 예시로는, 100Base-TX Ethernet PHY에서 VDDIO(3.3V)와 VDDA(1.2V 아날로그 전원) 사이에 임피던스 600Ω@100MHz 수준의 Ferrite Bead를 삽입하여, 25MHz 클럭 동작 중 발생하는 고조파 노이즈가 아날로그 PLL 블록으로 전달되지 않도록 하는 경우가 있습니다. 또 다른 사례로는 USB 2.0 High-speed(480MHz) 설계에서도 전원 라인에 Ferrite Bead를 배치하는데, 이때도 데이터 신호(480Mbps)는 신호선에서 직접 흐르고, Ferrite Bead는 전원망 노이즈 억제 전용으로만 쓰입니다.
따라서 질문 주신 "100MHz 신호를 쓰는데 Ferrite Bead가 같은 대역을 억제해버리지 않나?"라는 의문은 신호선이 아니라 전원망에 Ferrite Bead가 들어간다는 점에서 해소됩니다. 그리고 설령 동일한 대역을 포함하더라도, Ferrite Bead의 주파수 응답 특성상 신호의 기본 주파수 성분은 비교적 유지하면서 불필요한 고조파와 EMI 성분을 선택적으로 감쇠하는 효과를 내는 것이 핵심이라고 보시면 됩니다.
추가 질문 주신 부분은 바로 “소자 간 통신라인에서 발생하는 EMI를 어떻게 억제할 것인가?”에 관한 것으로 이해했습니다. Ferrite Bead는 주로 전원망(Power rail)에서 노이즈를 억제하는 목적으로 쓰이지만, 신호 라인에서의 EMI 억제는 다른 방식의 대책이 필요합니다.
통신 라인의 경우, Ferrite Bead를 직접 데이터 신호선에 삽입하면 말씀하신 것처럼 신호의 유효 주파수 성분까지 감쇠시켜서 통신 품질을 떨어뜨릴 수 있습니다. 따라서 실제 현업에서는 다음과 같은 접근을 합니다.
첫째, 차동 신호(differential signaling)와 매칭 임피던스 제어가 기본입니다. 예를 들어 Ethernet PHY의 TX±, RX± 라인은 100Ω 차동 임피던스로 맞추고, 트레이스 길이 매칭을 통해 공통모드 성분을 최소화합니다. 이렇게 하면 EMI가 크게 줄어듭니다. 만약 보드 상에서 RX+와 RX-의 길이가 2mm 이상 차이가 나면 공통 모드 성분이 증가하고, 이는 방사 EMI를 유발하게 됩니다.
둘째, 공통 모드 초크(Common Mode Choke, CMC)를 신호선에 삽입합니다. Ethernet RJ45 모듈에 기본적으로 들어 있는 자기소자(Magnetics)가 바로 이 역할을 합니다. CMC는 차동 성분(실제 데이터)은 그대로 통과시키면서, 두 신호선에 동일하게 나타나는 공통 모드 노이즈(EMI의 주 원인)를 수백 MHz~GHz 대역에서 억제합니다. 예를 들어 100Base-TX용 CMC는 100Ω 차동 임피던스에서 100MHz 기준 500Ω 이상의 공통 모드 임피던스를 제공합니다.
셋째, PCB 레이아웃 단계에서 리턴 패스(return path)를 관리합니다. 신호선 바로 아래에 연속적인 GND plane을 두고, 불필요한 슬롯이나 분할을 피해야 합니다. 그렇지 않으면 신호 전류가 다른 경로를 타면서 루프 면적이 커지고, 이는 곧 강한 EMI 방사로 이어집니다. 강의 자료에서도 언급되듯이 Ethernet PHY 블록 레이아웃에서는 반드시 신호 리턴 경로를 확보하고, GND isolation과 chassis 접지를 적절히 조합하는 것이 필수입니다.
넷째, ESD/EMC 보호 소자를 신호선에 삽입하기도 합니다. TVS 다이오드나 ESD suppressor를 이용하여 외부에서 유입되는 전자기 충격이나 방사성 노이즈를 클램핑(clamping)하는 방식입니다. Ethernet PHY 설계에서는 RJ45 커넥터 근처에 이런 소자들을 배치하는 것이 일반적입니다.
즉, 정리하면 전원 라인에서는 Ferrite Bead를 써서 노이즈가 전원망을 타고 아날로그 블록이나 다른 IC로 전달되지 않도록 하고, 데이터 신호선에서는 Ferrite Bead 대신 Common Mode Choke, 차동 매칭, 리턴 경로 설계, ESD 보호 소자 등을 통해 EMI를 줄이는 것이 정석입니다. 실제 제품에서도 Ethernet, USB, HDMI와 같은 고속 인터페이스의 커넥터 근처에는 항상 CMC와 TVS가 같이 배치되어 있습니다.
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안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 박진호님.
Ferrite Bead의 사용에 대한 질문을 주셨군요. Ferrite Bead는 전자기적인 간섭(EMI)을 억제하기 위해 사용되며, 특정 주파수 대역대에서 임피던스를 높임으로써 노이즈를 줄이는데 기여합니다. 주파수에 따라 Ferrite Bead의 임피던스가 달라지기 때문에, 특정 주파수에서 더 효과적으로 작용할 수 있습니다.
Ethernet 통신의 경우, Ferrite Bead는 특정 고주파 노이즈를 억제하기 위해 사용되며, 정상적인 데이터 전달을 방해하지 않도록 설계됩니다. 이를 위해 보통 Ferrite Bead는 데이터 신호의 기본 주파수보다 높은 주파수의 노이즈를 억제하는 역할을 합니다. 예를 들어, Ethernet의 경우 100Mbps 정도의 주파수를 가지지만, Ferrite Bead는 이 기본 주파수보다 높은 주파수 대역(예: 100MHz 이상)에 대한 노이즈 억제를 목표로 합니다.
이와 관련하여 더 깊은 이해를 돕기 위해, Ferrite Bead의 실제 응용과 통신 설계 측면을 설명한 관련 질문을 공유드립니다:
이 해설은 Ferrite Bead가 주로 어떤 용도로 사용되며, 통신의 정확성을 어떻게 유지하는지에 대해 설명하고 있습니다. Ferrite Bead의 임피던스 특성이 어떻게 노이즈를 억제하고 원하는 신호를 보호하는지를 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
저는 질문자님의 이해를 돕고자 지식공유자님의 기존 답변을 참고하여 유사한 답변 링크를 추천해드리고 있습니다. 현재 베타 기능으로 답변이 만족스럽지 않을 수 있는 점 양해 부탁드립니다. 🙏 추가적으로 궁금한 점이 있으시면, 이어서 질문해 주세요. 곧 지식공유자께서 답변해 주실 것입니다.
답변 주셔서 감사드립니다.
답변에대한 추가 질문이있습니다.
그러면 전원 라인에만 bead를 추가한다고 해주셨능데 소자간 통신라인에서 발생하는 emi의 경우에는 필터를 사용해서 예방? 을 하는 것일까요?