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커패시터는 회로 기판에서 가장 일반적으로 사용되는 부품 중 하나입니다. 전자 장치(휴대폰에서 자동차까지)의 수가 계속 증가함에 따라 커패시터에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 코로나19 팬데믹으로 인해 반도체에서 글로벌 부품 공급망이 중단되었습니다. 패시브 구성요소에 연결하고 커패시터 공급이 부족합니다1.
커패시터를 주제로 한 논의는 쉽게 책이나 사전으로 바뀔 수 있다. 먼저 전해콘덴서, 필름콘덴서, 세라믹콘덴서 등 다양한 종류의 커패시터가 있다. 그리고 같은 종류에도 다른 종류가 있다. 유전체에도 종류가 있습니다. 물리적 구조로는 2단자형과 3단자형 커패시터가 있습니다. X2Y형 커패시터도 있는데, 기본적으로 한 쌍의 Y 커패시터를 하나로 캡슐화한 것입니다. 슈퍼커패시터는 어떤가요? ?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 언급한 것처럼 커패시터 선택 가이드는 공급업체 웹사이트 3, 4에서 쉽게 찾을 수 있으며 현장 엔지니어는 일반적으로 커패시터에 관한 대부분의 질문에 답변을 제공합니다. 인터넷에서 찾을 수 있는 내용을 반복하지는 않겠지만 실제 사례를 통해 커패시터를 선택하고 사용하는 방법을 설명하겠습니다. 커패시턴스 저하와 같이 커패시터 선택에 대해 잘 알려지지 않은 측면도 다룰 것입니다. 이 기사를 읽은 후에는 콘덴서의 사용법을 잘 이해하고 있어야 합니다.
몇 년 전, 제가 전자 장비를 만드는 회사에 근무할 때, 전력 전자 엔지니어에 대한 면접 질문이 있었습니다. 기존 제품의 회로도에서 잠재적 후보자들에게 “DC 링크 전해액의 기능은 무엇입니까?”라고 묻습니다. 콘덴서?" 그리고 "칩 옆에 있는 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 간단한 회로 관점에서 커패시터를 본다는 것을 보여줍니다. 회로 이론의 관점은 틀리지 않습니다. 낮은 주파수(수 kHz부터) 수 MHz까지) 회로 이론은 일반적으로 문제를 잘 설명할 수 있습니다. 이는 낮은 주파수에서 신호가 주로 차동 모드에 있기 때문입니다. 회로 이론을 사용하면 그림 1에 표시된 커패시터를 볼 수 있습니다. 여기서 등가 직렬 저항( ESR) 및 등가 직렬 인덕턴스(ESL)는 주파수에 따라 커패시터의 임피던스를 변경합니다.
이 모델은 회로가 천천히 스위칭될 때의 회로 성능을 충분히 설명합니다. 그러나 주파수가 증가함에 따라 상황은 점점 더 복잡해집니다. 어느 시점에서 구성요소는 비선형성을 보이기 시작합니다. 주파수가 증가하면 단순 LCR 모델은 한계가 있습니다.
오늘 같은 인터뷰 질문을 받으면 저는 장 이론 관찰 안경을 착용하고 두 커패시터 유형 모두 에너지 저장 장치라고 말할 것입니다. 차이점은 전해 커패시터가 세라믹 커패시터보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 것입니다. 그러나 에너지 전달 측면에서 , 세라믹 커패시터는 에너지를 더 빠르게 전달할 수 있습니다. 칩이 주 전원 회로에 비해 스위칭 주파수와 스위칭 속도가 더 높기 때문에 세라믹 커패시터를 칩 옆에 배치해야 하는 이유가 설명됩니다.
이러한 관점에서 우리는 커패시터에 대한 두 가지 성능 표준을 간단히 정의할 수 있습니다. 하나는 커패시터가 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지, 다른 하나는 이 에너지가 얼마나 빨리 전달될 수 있는지입니다. 둘 다 커패시터의 제조 방법, 유전체 재료, 커패시터와의 연결 등.
회로의 스위치가 닫히면(그림 2 참조) 이는 부하에 전원의 에너지가 필요함을 나타냅니다. 이 스위치가 닫히는 속도에 따라 에너지 수요의 긴급성이 결정됩니다. 에너지는 빛의 속도(절반)로 이동하므로 FR4 재료의 빛의 속도), 에너지를 전달하는 데 시간이 걸립니다. 또한 소스와 전송 라인 및 부하 사이에 임피던스 불일치가 있습니다. 이는 에너지가 한 번의 여행으로 전송되지 않고 여러 번 전송됨을 의미합니다. 왕복5, 이는 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 에너지원을 가능한 부하에 최대한 가깝게 배치해야 하며 에너지를 신속하게 전달하는 방법을 찾아야 함을 의미합니다. 첫 번째는 일반적으로 물리적 에너지를 줄임으로써 달성됩니다. 부하, 스위치 및 커패시터 사이의 거리. 후자는 임피던스가 가장 작은 커패시터 그룹을 모아서 달성됩니다.
장 이론에서는 공통 모드 잡음이 발생하는 원인에 대해서도 설명합니다. 즉, 스위칭 중에 부하의 에너지 요구가 충족되지 않을 때 공통 모드 잡음이 발생합니다. 따라서 부하와 근처 도체 사이의 공간에 저장된 에너지를 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 커패시터는 주로 DC 링크에서 주요 에너지원으로 사용됩니다. 전해 커패시터의 선택은 종종 다음에 따라 달라집니다.
EMC 성능을 위해 커패시터의 가장 중요한 특성은 임피던스와 주파수 특성입니다. 저주파 전도성 방출은 항상 DC 링크 커패시터의 성능에 따라 달라집니다.
DC 링크의 임피던스는 그림 3과 같이 커패시터의 ESR 및 ESL뿐 아니라 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 150kHz~108MHz 사이에서 전도성 방출 스캔을 수행합니다.
임피던스 특성의 차이를 피하기 위해 이 사례 연구에 사용된 커패시터가 모두 동일한 제조업체인지 확인하는 것이 중요합니다. PCB에 커패시터를 납땜할 때 긴 리드가 없는지 확인하십시오. 이렇게 하면 ESL이 증가합니다. 커패시터. 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 있다. 장 이론의 관점에서는 에너지원이 하나만 있는 것이 아니라 동일한 부하에 두 개의 에너지원이 공급된다. , 전체 에너지 전송 시간을 효과적으로 줄입니다. 그러나 더 높은 주파수에서는 330μF 커패시터 2개와 680μF 커패시터 1개 사이의 차이가 줄어듭니다. 이는 고주파수 잡음이 단계 에너지 응답이 부족함을 나타내기 때문입니다. 330μF 커패시터를 스위치를 사용하면 에너지 전달 시간이 줄어들어 커패시터의 계단 응답이 효과적으로 증가합니다.
결과는 우리에게 매우 중요한 교훈을 줍니다. 단일 커패시터의 커패시턴스를 늘리는 것은 일반적으로 더 많은 에너지에 대한 단계적 요구를 지원하지 않습니다. 가능하다면 더 작은 용량성 부품을 사용하십시오. 여기에는 많은 이유가 있습니다. 첫 번째는 비용입니다. 일반적으로 즉, 동일한 패키지 크기에 대해 커패시터 비용은 커패시턴스 값에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 단일 커패시터를 사용하는 것은 여러 개의 작은 커패시터를 사용하는 것보다 더 비쌀 수 있습니다. 두 번째 이유는 크기입니다. 제품 설계의 제한 요소는 일반적으로 높이입니다. 대용량 커패시터의 경우 제품 디자인에 비해 높이가 너무 큰 경우가 많습니다. 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 에너지를 빠르게 공급할 수 있는 소형 장치입니다. “커패시터가 얼마나 필요합니까?”라는 질문을 자주 받습니다. 이 질문에 대한 대답은 세라믹 커패시터의 경우 용량 값이 그다지 중요하지 않다는 것입니다. 여기서 중요한 고려 사항은 응용 분야에 에너지 전달 속도가 충분한 주파수를 결정하는 것입니다. 전도 방출이 100MHz에서 실패하면 100MHz에서 가장 작은 임피던스를 갖는 커패시터가 좋은 선택이 될 것입니다.
이것은 MLCC에 대한 또 다른 오해입니다. 엔지니어들이 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 훨씬 크다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 보드의 연결 인덕턴스보다 낮습니다. 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 발생시킵니다. 시뮬레이션 결과는 커패시터의 임피던스가 주파수 지점(50MHz)에서 예상보다 훨씬 높아지는 것을 보여줍니다.
MLCC의 문제점 중 하나는 보드의 유도 구조와 공진하는 경향이 있다는 것입니다. 이는 그림 8의 예에서 볼 수 있으며, 10μF MLCC를 사용하면 약 300kHz에서 공진이 발생합니다.
ESR이 더 큰 부품을 선택하거나 단순히 작은 값의 저항기(예: 1ohm)를 커패시터와 직렬로 배치하여 공진을 줄일 수 있습니다. 이러한 유형의 방법은 손실이 있는 부품을 사용하여 시스템을 억제합니다. 또 다른 방법은 다른 정전 용량을 사용하는 것입니다. 공진을 더 낮거나 높은 공진점으로 이동시키기 위한 값입니다.
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. X 커패시터를 다음과 같이 사용합니다. 필름 커패시터 사용의 몇 가지 주요 사항을 설명하는 예입니다.
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 다 알고 계시겠지만, X 커패시터의 커패시턴스 값은 수년간 사용함에 따라 크게 감소할 수 있다는 사실을 알고 계셨습니까? 특히 커패시터를 습한 환경에서 사용할 경우 더욱 그렇습니다. X 커패시터는 1~2년 이내에 정격 값의 몇 퍼센트까지만 떨어지므로 원래 X 커패시터로 설계된 시스템은 실제로 프런트 엔드 커패시터가 가질 수 있는 모든 보호 기능을 상실했습니다.
그렇다면 무슨 일이 일어났나요?습한 공기가 커패시터로 누출되어 와이어 위로 그리고 상자와 에폭시 포팅 화합물 사이로 누출될 수 있습니다. 그런 다음 알루미늄 금속화가 산화될 수 있습니다. 알루미나는 우수한 전기 절연체이므로 정전용량이 줄어듭니다.이것은 문제입니다 모든 필름 커패시터가 직면하게 될 것입니다. 제가 말하는 문제는 필름 두께입니다. 평판이 좋은 커패시터 브랜드는 더 두꺼운 필름을 사용하므로 다른 브랜드보다 커패시터가 더 큽니다. 필름이 얇을수록 커패시터는 과부하(전압, 전류 또는 온도)에 덜 견고해집니다. 그리고 그것은 저절로 치유될 것 같지 않습니다.
X 커패시터가 전원 공급 장치에 영구적으로 연결되어 있지 않으면 걱정할 필요가 없습니다. 예를 들어 전원 공급 장치와 커패시터 사이에 하드 스위치가 있는 제품의 경우 수명보다 크기가 더 중요할 수 있으며, 그러면 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 않으면 성능 저하가 발생합니다. 값은 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 많은 도움이 되었습니다. 전세계 기업.
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