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커패시터는 회로 기판에서 가장 일반적으로 사용되는 구성 요소 중 하나입니다. 전자 장치(휴대폰에서 자동차까지)의 수가 계속 증가함에 따라 커패시터에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 코로나19 팬데믹으로 인해 반도체부터 수동 부품까지 글로벌 부품 공급망이 붕괴되었고, 커패시터 공급이 부족해졌습니다1.
커패시터 주제에 대한 토론은 쉽게 책이나 사전으로 바뀔 수 있습니다. 먼저 전해콘덴서, 필름콘덴서, 세라믹콘덴서 등 다양한 종류의 커패시터가 있습니다. 그런 다음 동일한 유형에도 다른 유전체 재료가 있습니다. 다양한 수업도 있습니다. 물리적인 구조로는 2단자형과 3단자형이 있습니다. 본질적으로 한 쌍의 Y 커패시터가 하나로 캡슐화된 X2Y 유형 커패시터도 있습니다. 슈퍼커패시터는 어떻습니까? 사실, 앉아서 주요 제조업체의 커패시터 선택 가이드를 읽기 시작하면 하루를 쉽게 보낼 수 있습니다!
이번 글은 기본적인 내용을 다루기 때문에 평소와 다른 방법을 사용하겠습니다. 앞서 언급했듯이 커패시터 선택 가이드는 공급업체 웹사이트 3 및 4에서 쉽게 찾을 수 있으며 현장 엔지니어는 일반적으로 커패시터에 대한 대부분의 질문에 답할 수 있습니다. 이 기사에서는 인터넷에서 찾을 수 있는 내용을 반복하지 않고 실제 사례를 통해 커패시터를 선택하고 사용하는 방법을 설명합니다. 커패시턴스 저하와 같이 커패시터 선택에 대해 잘 알려지지 않은 일부 측면도 다룹니다. 이 글을 읽고 나면 커패시터의 사용법을 잘 이해하게 될 것입니다.
몇 년 전, 제가 전자 장비를 만드는 회사에 근무할 때 전력 전자 엔지니어에 대한 면접 질문이 있었습니다. 기존 제품의 개략도에서 후보 후보에게 “DC 링크 전해 콘덴서의 기능은 무엇입니까?”라고 질문하겠습니다. "칩 옆에 위치한 세라믹 커패시터의 기능은 무엇입니까?" 에너지 저장에 사용되는 DC 버스 커패시터, 필터링에 사용되는 세라믹 커패시터가 정답이기를 바랍니다.
실제로 우리가 추구하는 "올바른" 대답은 설계 팀의 모든 구성원이 장 이론의 관점이 아닌 단순한 회로 관점에서 커패시터를 본다는 것을 보여줍니다. 회로이론의 관점은 틀린 것이 아니다. 낮은 주파수(몇 kHz에서 몇 MHz까지)에서는 일반적으로 회로 이론이 문제를 잘 설명할 수 있습니다. 이는 낮은 주파수에서 신호가 주로 차동 모드에 있기 때문입니다. 회로 이론을 사용하여 그림 1에 표시된 커패시터를 볼 수 있습니다. 여기서 등가 직렬 저항(ESR)과 등가 직렬 인덕턴스(ESL)는 주파수에 따라 커패시터의 임피던스를 변경합니다.
이 모델은 회로가 천천히 전환될 때의 회로 성능을 완벽하게 설명합니다. 그러나 빈도가 증가할수록 상황은 점점 더 복잡해집니다. 어느 시점에서 구성 요소에 비선형성이 나타나기 시작합니다. 주파수가 증가하면 단순 LCR 모델에는 한계가 있습니다.
오늘 같은 인터뷰 질문을 받으면 나는 장 이론 관찰 안경을 착용하고 두 커패시터 유형 모두 에너지 저장 장치라고 말할 것입니다. 차이점은 전해 콘덴서가 세라믹 콘덴서보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 점입니다. 그러나 에너지 전달 측면에서 세라믹 커패시터는 에너지를 더 빠르게 전달할 수 있습니다. 이는 칩이 주 전원 회로에 비해 스위칭 주파수와 스위칭 속도가 더 높기 때문에 세라믹 커패시터를 칩 옆에 배치해야 하는 이유를 설명합니다.
이러한 관점에서 우리는 커패시터에 대한 두 가지 성능 표준을 간단히 정의할 수 있습니다. 하나는 커패시터가 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지이고, 다른 하나는 이 에너지가 얼마나 빨리 전달될 수 있는지입니다. 둘 다 커패시터의 제조 방법, 유전체, 커패시터와의 연결 등에 따라 달라집니다.
회로의 스위치가 닫히면(그림 2 참조) 이는 부하에 전원의 에너지가 필요함을 나타냅니다. 이 스위치가 닫히는 속도에 따라 에너지 수요의 긴급성이 결정됩니다. 에너지는 빛의 속도(FR4 소재에서는 빛 속도의 절반)로 이동하기 때문에 에너지를 전달하는 데 시간이 걸립니다. 또한 소스와 전송선, 부하 사이에 임피던스 불일치가 있습니다. 이는 에너지가 한 번의 여행으로 전송되지 않고 여러 왕복으로 전송된다는 것을 의미합니다5. 이것이 바로 스위치가 빠르게 전환될 때 스위칭 파형에 지연과 링잉이 나타나는 이유입니다.
그림 2: 에너지가 우주로 전파되는 데는 시간이 걸립니다. 임피던스 불일치로 인해 에너지 전달이 여러 번 왕복됩니다.
에너지 전달에 시간이 걸리고 여러 번의 왕복이 필요하다는 사실은 에너지를 부하에 최대한 가깝게 이동해야 하며 이를 신속하게 전달하는 방법을 찾아야 함을 의미합니다. 첫 번째는 일반적으로 부하, 스위치 및 커패시터 사이의 물리적 거리를 줄임으로써 달성됩니다. 후자는 임피던스가 가장 작은 커패시터 그룹을 모아서 달성됩니다.
장 이론은 공통 모드 잡음의 원인도 설명합니다. 즉, 스위칭 중에 부하의 에너지 수요가 충족되지 않으면 공통 모드 노이즈가 발생합니다. 따라서 부하와 인근 도체 사이의 공간에 저장된 에너지는 계단 수요를 지원하기 위해 제공됩니다. 부하와 인근 도체 사이의 공간을 기생/상호 정전 용량이라고 합니다(그림 2 참조).
다음 예를 사용하여 전해 커패시터, MLCC(적층 세라믹 커패시터) 및 필름 커패시터를 사용하는 방법을 보여줍니다. 선택된 커패시터의 성능을 설명하기 위해 회로 이론과 장 이론이 모두 사용됩니다.
전해 콘덴서는 주로 DC 링크에서 주요 에너지원으로 사용됩니다. 전해 커패시터의 선택은 종종 다음에 따라 달라집니다.
EMC 성능을 위해 커패시터의 가장 중요한 특성은 임피던스와 주파수 특성입니다. 저주파 전도 방출은 항상 DC 링크 커패시터의 성능에 따라 달라집니다.
DC 링크의 임피던스는 커패시터의 ESR 및 ESL뿐만 아니라 그림 3과 같이 열 루프 영역에도 영향을 받습니다. 열 루프 영역이 클수록 에너지 전달 시간이 길어지므로 성능이 향상됩니다. 영향을 받게 됩니다.
이를 증명하기 위해 강압 DC-DC 컨버터가 제작되었습니다. 그림 4에 표시된 사전 적합성 EMC 테스트 설정은 150kHz와 108MHz 사이에서 전도성 방출 스캔을 수행합니다.
임피던스 특성의 차이를 피하기 위해 이 사례 연구에 사용된 커패시터는 모두 동일한 제조업체의 제품인지 확인하는 것이 중요합니다. PCB에 커패시터를 납땜할 때 긴 리드가 없는지 확인하십시오. 이렇게 하면 커패시터의 ESL이 증가합니다. 그림 5는 세 가지 구성을 보여줍니다.
이 세 가지 구성의 전도성 방출 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 단일 680μF 커패시터와 비교할 때 두 개의 330μF 커패시터는 더 넓은 주파수 범위에서 6dB의 잡음 감소 성능을 달성한다는 것을 알 수 있습니다.
회로 이론으로 보면 두 개의 커패시터를 병렬로 연결하면 ESL과 ESR이 모두 절반으로 줄어든다고 할 수 있습니다. 장 이론의 관점에서 볼 때, 하나의 에너지원만 존재하는 것이 아니라, 두 개의 에너지원이 동일한 부하에 공급되어 전체 에너지 전송 시간을 효과적으로 단축시킵니다. 그러나 더 높은 주파수에서는 330μF 커패시터 2개와 680μF 커패시터 1개 사이의 차이가 줄어듭니다. 이는 고주파 노이즈가 스텝 에너지 응답이 부족함을 나타내기 때문입니다. 330μF 커패시터를 스위치에 더 가깝게 이동하면 에너지 전달 시간이 줄어들어 커패시터의 계단 응답이 효과적으로 증가합니다.
그 결과는 우리에게 매우 중요한 교훈을 줍니다. 단일 커패시터의 커패시턴스를 증가시키는 것은 일반적으로 더 많은 에너지에 대한 단계적 요구를 지원하지 않습니다. 가능하다면 더 작은 용량성 부품을 사용하십시오. 이에 대한 타당한 이유가 많이 있습니다. 첫 번째는 비용입니다. 일반적으로 동일한 패키지 크기의 경우 커패시터 비용은 커패시턴스 값에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 단일 커패시터를 사용하는 것은 여러 개의 작은 커패시터를 사용하는 것보다 비용이 더 많이 들 수 있습니다. 두 번째 이유는 크기입니다. 제품 디자인의 제한 요소는 일반적으로 구성 요소의 높이입니다. 대용량 커패시터의 경우 높이가 너무 큰 경우가 많아 제품 디자인에 적합하지 않습니다. 세 번째 이유는 사례 연구에서 본 EMC 성능입니다.
전해 콘덴서를 사용할 때 고려해야 할 또 다른 요소는 두 개의 콘덴서를 직렬로 연결하여 전압을 공유할 때 밸런싱 저항이 필요하다는 것입니다.
앞서 언급했듯이 세라믹 커패시터는 빠르게 에너지를 공급할 수 있는 소형 장치입니다. 나는 종종 "커패시터가 얼마나 필요합니까?"라는 질문을 받습니다. 이 질문에 대한 대답은 세라믹 커패시터의 경우 정전용량 값이 그다지 중요하지 않아야 한다는 것입니다. 여기서 중요한 고려 사항은 응용 분야에 에너지 전달 속도가 충분한 주파수를 결정하는 것입니다. 전도 방출이 100MHz에서 실패하면 100MHz에서 임피던스가 가장 작은 커패시터를 선택하는 것이 좋습니다.
이는 MLCC에 대한 또 다른 오해이다. 엔지니어들은 긴 트레이스를 통해 RF 기준점에 커패시터를 연결하기 전에 ESR 및 ESL이 가장 낮은 세라믹 커패시터를 선택하는 데 많은 에너지를 소비하는 것을 보았습니다. MLCC의 ESL은 일반적으로 보드의 연결 인덕턴스보다 훨씬 낮다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 연결 인덕턴스는 여전히 세라믹 커패시터의 고주파수 임피던스에 영향을 미치는 가장 중요한 매개변수입니다7.
그림 7은 나쁜 예를 보여줍니다. 긴 트레이스(0.5인치 길이)는 최소 10nH의 인덕턴스를 도입합니다. 시뮬레이션 결과는 주파수 지점(50MHz)에서 커패시터의 임피던스가 예상보다 훨씬 높아지는 것을 보여줍니다.
MLCC의 문제점 중 하나는 보드의 유도 구조와 공진하는 경향이 있다는 것입니다. 이는 그림 8의 예에서 볼 수 있는데, 10μF MLCC를 사용하면 약 300kHz에서 공진이 발생합니다.
ESR이 더 큰 구성 요소를 선택하거나 단순히 작은 값의 저항(예: 1Ω)을 커패시터와 직렬로 연결하면 공진을 줄일 수 있습니다. 이 유형의 방법은 손실이 있는 구성 요소를 사용하여 시스템을 억제합니다. 또 다른 방법은 다른 커패시턴스 값을 사용하여 공진을 더 낮거나 높은 공진점으로 이동시키는 것입니다.
필름 커패시터는 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 이 커패시터는 고전력 DC-DC 컨버터에 선택되는 커패시터이며 전력선(AC 및 DC) 및 공통 모드 필터링 구성에서 EMI 억제 필터로 사용됩니다. 필름 커패시터 사용의 몇 가지 주요 사항을 설명하기 위해 X 커패시터를 예로 들어 보겠습니다.
서지 이벤트가 발생하면 라인의 피크 전압 스트레스를 제한하는 데 도움이 되므로 일반적으로 TVS(과도 전압 억제기) 또는 MOV(금속 산화물 배리스터)와 함께 사용됩니다.
이미 이 모든 것을 알고 계시겠지만, X 커패시터의 커패시턴스 값이 수년간 사용함에 따라 크게 감소할 수 있다는 사실을 알고 계셨습니까? 이는 축전기가 습한 환경에서 사용되는 경우 특히 그렇습니다. 나는 X 커패시터의 커패시턴스 값이 1~2년 내에 정격 값의 몇 퍼센트까지만 떨어지는 것을 보았습니다. 따라서 원래 X 커패시터로 설계된 시스템은 실제로 프런트 엔드 커패시터가 가질 수 있는 모든 보호 기능을 상실했습니다.
그래서 무슨 일이 일어났나요? 습한 공기가 커패시터, 전선 위로, 상자와 에폭시 포팅 화합물 사이로 누출될 수 있습니다. 그런 다음 알루미늄 금속화는 산화될 수 있습니다. 알루미나는 우수한 전기 절연체이므로 정전 용량을 줄입니다. 이는 모든 필름 커패시터가 직면하게 되는 문제입니다. 제가 말하는 문제는 필름 두께입니다. 평판이 좋은 커패시터 브랜드는 더 두꺼운 필름을 사용하므로 다른 브랜드보다 더 큰 커패시터가 생성됩니다. 필름이 얇으면 커패시터가 과부하(전압, 전류 또는 온도)에 대해 덜 견고해지며 자체적으로 치유될 가능성이 낮습니다.
X 커패시터가 전원 공급 장치에 영구적으로 연결되어 있지 않은 경우 걱정할 필요가 없습니다. 예를 들어 전원과 커패시터 사이에 하드 스위치가 있는 제품의 경우 수명보다 크기가 더 중요할 수 있으므로 더 얇은 커패시터를 선택할 수 있습니다.
그러나 커패시터가 전원에 영구적으로 연결되어 있는 경우 신뢰성이 높아야 합니다. 커패시터의 산화는 불가피하지 않습니다. 커패시터 에폭시 재료의 품질이 좋고 커패시터가 극한의 온도에 자주 노출되지 않는 경우 값 저하가 최소화되어야 합니다.
이 기사에서는 먼저 커패시터의 장 이론 관점을 소개했습니다. 실제 사례와 시뮬레이션 결과는 가장 일반적인 커패시터 유형을 선택하고 사용하는 방법을 보여줍니다. 이 정보가 전자 및 EMC 설계에서 커패시터의 역할을 보다 포괄적으로 이해하는 데 도움이 되기를 바랍니다.
Min Zhang 박사는 EMC 컨설팅, 문제 해결 및 교육을 전문으로 하는 영국 기반 엔지니어링 회사인 Mach One Design Ltd의 창립자이자 수석 EMC 컨설턴트입니다. 전력 전자, 디지털 전자, 모터 및 제품 설계에 대한 그의 심층적인 지식은 전 세계 기업에 도움이 되었습니다.
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