중요 RF 회로 응용 제품에 적합한 인덕터 매칭

레이더, 자기 공명 영상(MRI), 통신 시스템, 의료용 전자 기기와 같은 응용 분야의 무선 주파수(RF) 및 극초단파 회로에는 정밀하고 안정적이며 손실이 적은 응용 분야별 수동 부품이 필요합니다. 이러한 요구 사항은 온도와 주파수에 따른 변동이 최소화되고 안정적인 유도 용량 값을 가져야 하는 인덕터의 경우에 특히 그렇습니다. 또한 응용 제품의 대역폭 내에서 손실을 최소화하고 자체 공진 주파수(SRF)를 방지하여 신호 무결성을 유지해야 합니다.

이 기사에서는 RF 응용 분야를 위한 인덕터의 요구 사항과 특성을 검토합니다. 그런 다음 설계자가 가장 까다로운 RF 응용 분야의 요구 사항을 해결하는 데 사용할 수 있는 Knowles의 고 Q, 세라믹 코어 인덕터를 소개합니다.

RF 회로의 인덕터

인덕터는 자기장에 에너지를 저장하여 전류의 변화에 반대하는 수동 리액턴스 부품입니다. 전선 코일로 구성된 이 제품은 구조가 비교적 단순하지만 코일형 전선으로 인해 여러 가지 기생 요소가 발생합니다. 인덕터의 등가 회로에는 리드 유도 용량 및 정전 용량, 코일 저항, 권선 간 정전 용량이 포함됩니다(그림 1).

그림 1: 인덕터의 등가 회로에는 유도 용량, 정전 용량, 저항의 기생 요소가 포함됩니다(이미지 출처: Art Pini).

RF 회로에서 인덕터의 역할은 DC 신호 구성 요소에서 AC를 분리하는 단순한 초크부터 탱크 회로 및 필터의 미세 조정 장치에 이르기까지 다양합니다. 인덕터는 RF 및 극초단파 주파수에서 작동하며, 이때 반사 및 정재파를 최소화하려면 기생 정전 용량과 유도 용량이 작은 부품 설계가 필요합니다. 이러한 응용 분야에는 스킨 효과 및 방사 등 주파수에 따른 영향도 고려해야 합니다. RF 인덕터는 손실을 허용할 수 없는 소신호를 처리하므로 높은 품질 계수(Q)와 낮은 등가 직렬 저항(ESR)이 필요합니다. 따라서 인덕터 사양에는 유도 용량, 허용 오차, 전력 정격뿐만 아니라 여러 RF 관련 요구 사항(주로 Q, SRF, ESR)도 포함됩니다.

인덕터의 Q란?

Q는 지정된 인덕터가 이상적 인덕터에 얼마나 근접해 있는지를 나타내는 성능 지표입니다. 이상적인 인덕터는 유도성 리액턴스로만 구성된 임피던스를 갖습니다. 인덕터를 통과하는 전류는 인가 전압과 위상이 90도 다릅니다. 실제 인덕터에는 누설 유도 용량, 정전 용량 및 저항을 포함한 기생 요소가 있습니다(그림 1 참조). 저항은 전선 도체의 직렬 저항, 스킨 효과, 코어 손실 및 방사선 손실로 인해 발생합니다. DC 저항(DCR)은 저항의 주요 원인입니다.

Q는 인덕터의 저항에 대한 유도성 리액턴스의 비율인 무차원 성능 지표로, 방정식 Q = X_L/R = (2pfL)/R로 표현됩니다.

여기서,

Q는 품질 계수입니다.

X_L은 유도성 리액턴스입니다(단위: 옴(Ω)).

f는 주파수입니다(단위: 헤르츠(Hz)).

L은 유도 용량입니다(단위: 헨리(H)).

R은 ESR입니다(Ω).

Q는 저장된 에너지에 대한 인덕터의 에너지 손실을 측정하는 척도로 생각할 수 있습니다. Q가 높을수록 에너지 손실이 적어지고 인덕터의 성능이 이상적인 특성에 가까워집니다. Q는 유도성 리액턴스 및 저항성 스킨 효과로 인해 주파수에 종속적입니다(그림 2).

그림 2: 주파수의 함수로서 인덕터 Q의 플롯은 주파수에 대한 종속성을 보여줍니다(이미지 출처: Knowles).

손실을 줄이려면 Q를 최대화하고 직렬 저항을 최소화해야 합니다.

RF 인덕터의 SRF란?

RF 인덕터의 SRF는 유도 용량이 병렬 기생 정전 용량과 결합하여 병렬 공진 회로를 형성하는 주파수입니다. SRF에서는 인덕터의 임피던스가 매우 높아져 개방 회로처럼 작동합니다. 인덕터는 SRF까지만 유도성 특성을 보입니다(그림 3).

그림 3: 주파수의 함수로 나타낸 유도성은 SRF까지 일정하게 유지됨을 보여주는 플롯(이미지 출처: Knowles)

인덕터의 SRF는 유도 용량에 반비례합니다. 유도 용량이 높을수록 권선 수가 많아야 하고, 기생 권선 정전 용량이 비례하여 증가하므로 SRF가 낮아집니다.

인덕터 ESR 정의

인덕터의 ESR은 DCR과 주파수 종속적 저항의 두 부분으로 구성됩니다. 이 주파수 종속적 저항은 스킨 이펙트로 인해 발생합니다. 스킨 효과는 높은 주파수에서 컨덕터를 흐르는 전류가 단면 전체에 균일하게 퍼지지 않고, 점점 바깥쪽 표면으로 집중되는 현상을 말합니다. DCR 부품은 상대적으로 측정하기 쉽고 일반적으로 인덕터의 사양에 표시되어 있습니다. 스킨 효과는 주파수 종속적이며 일반적으로 그림 2의 Q 플롯의 일부로 설명됩니다.

중요 RF 회로의 고 Q 세라믹 코어 인덕터

레이더, MRI, 통신 시스템, 의료 전자 기기의 중요 RF 회로의 요구 사항을 충족하기 위해 Knowles는 CL1008 계열의 표면 실장 고 Q 권선 인덕터를 개발했습니다. 높은 신뢰성을 보장하는 이 인덕터는 광범위한 주파수에 걸쳐 작동하도록 설계되었으며 고 Q와 감소된 신호 손실의 조합을 통해 높은 신호 무결성을 제공합니다.

이러한 인덕터는 구리 전선 코일의 기반인 비자기 세라믹으로 구성되어 있습니다(그림 4, 상단). 또한 크기가 0.115" × 0.110" × 0.08"(2.80mm × 2.60mm × 2.30mm)로 매우 작습니다(그림 4, 하단).

그림 4: CL1008 계열의 고 Q RF 인덕터는 비자기 세라믹 코어(상단)을 사용하며 0.115" × 0.110" × 0.08" 크기입니다(하단)(이미지 출처 Knowles).

세라믹 코어는 전력 손실을 일으키지 않으면서 권선을 지원합니다. 따라서 장치 구조가 표면 실장 공정과 호환 가능하며, 이는 공심 인덕터로는 구현하기 어려울 수 있습니다.

이 코일은 소결 은의 하단 종단부에 연결되며, 이 종단부는 주석 도금 처리된 구리 장벽을 가집니다. 인덕터의 상단은 평탄한 표면을 갖추고 있어 픽 앤 플레이스 작업에 적합합니다.

다른 인덕터와 마찬가지로, 유도 용량은 코일의 권선 수에 비례합니다. 이 인덕터 계열은 12nH ~ 10mH 범위의 유도 용량, 140mA ~ 1000mA(+85°C 기준) 및 70mA ~ 1000mA(+125°C 기준)의 전류 정격으로 제공됩니다. 이러한 인덕터의 작동 온도 범위는 -55°C ~ +125°C이며 RoHS를 준수하고 할로겐 성분을 포함하지 않습니다.

세라믹 인덕터를 만들기 위해 권선, 필름, 다층 구현 등 여러 제조 기술을 사용할 수 있지만, 권선 세라믹 코어 인덕터는 몇 가지 이점이 있습니다. 먼저, 인덕터 권선이 밀폐형 패키지 내부에 한정되지 않습니다. 따라서 더 많은 권선을 확보할 수 있어, 구현할 수 있는 유도 용량 값의 범위가 넓어집니다. 또한 필름이나 다층 재료에 사용되는 인쇄 공정처럼 컨덕터 단면이 제한되지 않기 때문에, 더 굵은 전선을 사용할 수 있으므로 전류 정격을 높이고 저항을 줄일 수 있습니다. 저항이 낮아지면 Q가 높아집니다.

세라믹 코어 인덕터 RF 응용 분야

RF 인덕터는 일반적으로 발진기(예: 그림 5의 Colpitts 발진기)에 사용됩니다.

그림 5: 이 Colpitts 발진기는 2개의 RF 인덕터를 사용합니다. 하나는 조정 부품(L1) 역할을 하고 다른 하나는 초크(L2) 역할을 합니다(이미지 출처: Art Pini).

모든 발진기는 발진을 일으키기 위해 포지티브 피드백을 사용합니다. 이 Colpitts 발진기 예에서, Q1의 콜렉터에서 베이스로의 피드백은 C1, C2, L1에 의해 형성된 튜닝 탱크 회로로부터 C3을 통해 제공됩니다. 이러한 소자는 L1과, C1 및 C2의 직렬 조합으로 결정되는 주파수에서 공진하는 pi 네트워크를 형성합니다. L1은 손실을 최소화하고 주파수 안정성을 엄격하게 보장하기 위해 높은 Q 값을 가져야 합니다.

인덕터 L2는 RF 초크입니다. 이는 DC는 통과시키지만 출력 신호가 전원으로 들어가지 못하도록 차단합니다. L2는 전압 손실을 제한하기 위한 낮은 DCR과 발진기에 전력을 공급하기에 충분한 전류 정격을 가져야 합니다. 관심 주파수 대역 전반에서 유도성 특성을 보장하려면 초크로 사용되는 인덕터의 SRF는 출력 신호 주파수보다 충분히 높아야 합니다.

유도 용량-정전 용량(LC) 필터는 인덕터의 또 다른 일반적인 RF 응용 분야입니다. 필터는 대개 RF 단계 사이에 직렬로 사용되어 송신 신호의 통과 대역의 형태를 만들고, 고조파나 전자기 간섭(EMI) 등 대역 외(OOB) 에너지를 억제합니다. RF 주파수에서는 필요한 유도 용량과 정전 용량이 상대적으로 작기 때문에 LC 설계를 사용해 필터를 쉽게 구현할 수 있으며 이를 통해 콤팩트한 폼 팩터를 구현할 수 있습니다. 필터는 주파수 제한 특성에 따라 저역 통과, 고역 통과, 대역 통과 또는 대역 저지로 분류됩니다.

그림 6: 5차 Butterworth LC 대역 통과 필터는 5개의 인덕터(L1 ~ L5)를 사용합니다(이미지 출처: Art Pini).

이 필터는 5차 Butterworth 구성을 제공하므로, 5개 LC 섹션을 사용하여 대역 통과 주파수 응답을 구현합니다. 인덕터 선택에 영향을 주는 요인에는 부품의 유도 용량 및 허용 오차, SRF, Q, DCR이 포함됩니다.

인덕터 동작의 예측 가능성을 보장하기 위해서는, 사용되는 인덕터의 SRF가 필터의 주파수 대역보다 최소 10배 높아야 합니다. 필터의 정확도를 보장하기 위해 Q는 가능한 한 높아야 합니다. 전력 손실과 내부 발열을 최소화하려면 DCR이 낮은 것이 바람직합니다.

인덕터의 유도 용량 값과 허용 오차는 코너 주파수 위치를 포함한 필터의 주파수 응답에 영향을 미치며, 필터 설계 과정에서 선택됩니다.

고 Q 세라믹 코어 인덕터의 예

Knowles의 CL1008 계열 고 Q 세라믹 코어 인덕터는 광범위한 RF 및 극초단파 주파수에서 신호 무결성과 효율성을 최적화하도록 설계되었습니다. 예를 들어, CL1008-2124JQL1T-1은 Q 값 60(350MHz) 및 900MHz SRF를 가진 120nH ±5% 세라믹 코어 인덕터입니다. DCR은 0.63Ω이며 300mA(125°C 기준) 및 600mA(85°C 기준)에 대해 정격화되었습니다.

더 높은 주파수에서 작동하는 저 유도 용량 제품에는 CL1008-2123JQL1T-1이 있습니다. 이 제품은 12nH ±5% 인덕터로 Q 값 50(500MHz 기준) 및 3,300MHz의 SRF를 제공합니다. 유도 용량이 낮아지면 필요한 권선 수가 작아지고 저항도 낮아집니다(이 경우에는 저항이 0.09Ω으로 최대 전류 정격은 1000mA(+125°C 기준)임).

CL1008-2823JQL1T-1을 검토하고 이 사양과 다른 인덕터의 사양을 비교해 보면, 유도 용량, SRF, Q, DCR 사이에 분명한 관계가 존재함을 알 수 있습니다. CL1008-2823JQL1T-1은 82nH ±5% 인덕터로, Q 값 60(350MHz)과 1200MHz의 SRF를 제공합니다. 이 인덕터의 DCR은 0.22Ω이며 최대 전류는 370mA(125°C 기준) 및 730mA(85°C 기준)입니다.

마지막으로 CL1008-2474JQL1T-1은 470nH ±5% 세라믹 코어 인덕터로, Q 값 45(100MHz 기준) 및 450MHz의 SRF를 제공합니다. 이 인덕터의 DCR은 1.17Ω이며 최대 전류 정격은 240mA(125°C 기준) 및 470mA(85°C 기준)입니다.

그림 2를 참조하면 더 쉽게 다양한 유도 용량의 Q 값의 관계를 비교할 수 있습니다. 인덕턴스가 증가할수록 피크 Q가 감소한다는 점에 유의하십시오.

결론

Knowles의 고 Q 세라믹 코어 인덕터는 뛰어난 신호 무결성, 최소한의 전력 손실, 우수한 신뢰성이 요구되는 중요 RF 응용 분야에서 RF 회로 설계자에게 안정적인 유도 용량 값, 높은 Q, 낮은 ESR을 제공합니다.