커패시터 내압 선정 - keopaesiteo naeab seonjeong

1. 캐패시터 (Capacitor)

두 도체 사이에 유전체를 넣어, 전하를 축적한 소자이다.

▷ 쉽게 말해서, 건전지..라고 보면 된다.

캐패시터는 Set-Level Board 설계에서 일반적으로 PI를 좋게 하기 위해서 사용한다.

▷이러한 캐패시터를 Decoupling-Capacitor라고 말한다.

요구되는 전원 설계의 전압이 점점 낮아지며 저전력을 요구함에 있어서 PI특성은 굉장히 중요하다.

캐패시터는 VR(Voltage Regulator) 등의 일반적인 Switching Regulator의 뒷단에 달아서,

Ripple의 수준을 낮추는 데 사용하고, LDO와 같은 Linear Regulator에서도 마찬가지이다.

Decoupling Capacitor에 대해서 초점을 맞추어 설명을 해보자면,

디커플링이라는 것은, 커플링을 끊는다는 것을 의미하고 노이즈의 연결을 끊는다고 이해가 된다.

SMPS의 부하에서 전류를 끌고 가면 보드의 기생 인덕턴스 등에 의해서 전류를 한 번에 공급을 하지 못하고

노이즈가 발생하게 되는데 그런 노이즈의 연결을 끊는다고 이해를 해보자.

2. MLCC 캐패시터의 용량과 주파수의 관계는?

일반적으로 주로 사용되는 MLCC를 기준으로 설명을 하면, 캐패시터는 용량이 클수록 저주파에서 SRF를 형성한다.

해당 그림에서와 같이, 캐패시터의 용량이 클수록 공진주파수 (SRF, Self-Resonance Frequency)의 지점이 왼쪽으로 이동한다는 것을 알 수 있다. 이는, 용량이 클수록 저주파에서 SRF를 형성한다는 의미이다.

(Capacitor의 s2p파일을 열어본다면 실제 시뮬레이션이나, 파이썬에서 plot이 가능하다)

Voltage Regulator의 뒷단에 붙는 캐패시터는 VR이 맞춰야 하는 스펙. 즉, 리플의 수준 등에 의해서 크게 영향을 받으며

일반적으로 Bulk Capacitor가 붙는다 (여기서 Bulk의 의미는 디캡보다 용량이 큰 캐패시터를 의미하며 보통 22uF ↑ 수준의 캐패시터를 의미한다.)

VR의 뒷단에 붙는 캐패시터는 VR의 스위칭 노이즈를 잡기 위함이며 추가적으로 Output 단에 붙는 부하에 원활한 전류를 공급하기 위함이다. Output단의 부하에서 빠른 속도로 움직이는 Current Noise를 제거하기 위해서는 Bulk의 수준의 캐패시터로는 부족하며 PI 노이즈를 줄이기 위해서는 저용량의 캐패시터가 필요하다.

(즉, 위 그림에서 오른쪽에 위치한 캐패시터를 붙여 고주파 영역에서의 임피던스를 떨어뜨리는 것)

일반적으로 Board Level에서는 100 Mhz이상의 노이즈는 잡기 힘들다고 알고 있으며

50~10uF 수준의 캐패시터로는 5 Mhz Under의 노이즈를 잡기 위해서 사용한다.

1uF, 100nF의 캐패시터를 여러 개 병렬로 연결을 함으로써, 고주파 노이즈 (10Mhz~50Mhz)를 제거하기 위해서 사용한다.

같은 수준의 캐패시터를 여러개 연결하면 임피던스는 어떻게 될까?

같은 SRF 영역에서, 임피던스가 더욱 떨어지게 된다.

3. MLCC 캐패시터 등가 회로 (ESR / ESL)

캐패시터는 직렬 ESR 성분과 ESL 성분을 가지고 있어, 공진주파수 (SRF, Self Resonance Frequency)를 기준으로 행동이 달라진다.

캐패시터의 |Z|는 공진주파수 영역에서 최저점을 가지며 이는 곧 ESR 값으로 보이게 되며, SRF 이상의 주파수에서는 L로 동작한다.

즉 고주파 영역에서 캐패시터의 |Z| = Re(z) + Im(z) 중, Im(z) 값이 Dominant 하게 보이게 되며 이 값 |Z|는 JwL (=J*2πf*L) 값으로 표현될 수 있다.

4. MLCC 캐패시터의 온도 특성 (X5R / X7R 등)

모든 전자회로 Component들은 온도 특성이 존재한다. MLCC에서 볼 수 있는 온도특성은 X5R, X7R과 같은 표기를 통해서 알 수 있는데, 하기 표를 보면 각 표기가 어떤 특성을 나타내는지 알 수 있다.

X5R의 캐패시터는 -55/+85℃까지 온도 특성을 보장하고, Tolerance(오차) 범위는 ± 15%까지 허용한다는 의미이다.

즉, 캐패시터를 선정함에 있어서 제품이 뜨겁거나 저온의 환경에서 동작할 수 있다면 이런 부분을 생각해서 제품에 적용하여야 한다. 예를 들면 자동차 등, 한국에서는 극저온의 환경이 없지만 러시아 라든가 저온의 환경에서 동작해야 하는 제품이라면 이런 온도 특성을 고려하는 것이 맞다.

5. Capacitor's Rated Voltage / DC Bias 특성

추가적으로, 캐패시터는 내압 특성 (Rated Voltage)을 확인해야 하는데 이 전압을 넘어가지 않는 범위 내에서 캐패시터에 전압을 걸어주는 것이 좋다. 통상적으로 내압의 50~70% 수준으로 선택한다면 크게 문제가 없을 것으로 생각된다. 이는 캐패시터의 동작에 크게 영향을 줄 수 있으며 캐패시터에는 DC Bias 특성이 존재하여 해당 전압이 걸렸을 때 예를 들어 10uF/X5R/16V의 캐패시터에 10V가 걸린다면 이 캐패시터는 10uF으로 동작하지 않으며 DC Bias를 감안하여 Capacitance 값이 감소하게 된다.

6. 캐패시터의 충전/방전

캐패시터의 한 단자에 전압원을 인가하면, 그 단자에는 +, 반대의 단자에는 - 값이 생성이 됩니다.

전자는 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동을 하기 때문에, 캐패시터의 + 단자로부터 -단자로 전자는 이동하게 됩니다.

시간이 흐를수록 캐패시터의 양단의 전압은 전압원 만큼의 차이를 가지게 되며 그 이후로는 일정한 전압을 가지게 됩니다. 이 상태를 캐패시터가 충전(Charged)되었다고 합니다. 또한 캐패시터가 완전히 충전된 상태에서는 더 이상 전류가 흐르지 않습니다.

이와 반대로, 전압원의 전압이 낮아지면 캐패시터는 방전을 하며 소스전압과 같아질때까지 낮아지며 계속해서 전압을 낮추게 됩니다. 이 상태를 방전되었다고 합니다.

캐패시터는 완충된 상태에서는 전류가 통과되지 않으며, 이는 DC 전류를 통과시키지 않으며 (DC Block), AC 전류만 통과를 시킵니다.(AC Coupling Cap) 이 특성으로 인해 특정 주파수를 통과시키거나 차단시킬 수 있으며 각 주파수는 캐패시터의 Value에 따라서 SRF가 결정됩니다.

7. 캐패시터의 종류

1) 전해 캐패시터 (Electrolytic Capacitor)

    전해 캐패시터는 주파수 특성이 일반적으로 낮으며, ESR값이 높아 까먹는 전력이 많다. 이는 VR의 리플 전압 즉, Transient 특성이 좋지 않으며 Load단의 전류의 변화가 심할 수록 리플의 값이 커지며 이는 큰 발열을 일으킨다. 발열이 높아지게 되면, 내부 온도가 상승하여 수명이 좋지 않은 영향을 미친다. 보통 불량은 Open 특성을 가지는 특성이 있습니다.

전해 캐패시터는 보통 Anode + Paper spacer + Cathod foil을 돌돌 말아서 만들게 됩니다. 그리고 전해액에 담가 전류가 이동할 수 있도록 하는데, 문제는 전해액이 캐패시터의 온도가 올라갈 수록 마르거나 Pin을 통해서 누설된다는 것입니다. 그래서 보통 Open 되는 문제가 발생합니다. 보통 Capacitor는 여러개를 병렬로 연결해서 사용하기 때문에 Open일 경우 큰 문제가 발생되지는 않습니다.

2) 탄탈 캐패시터 (Tantalum Capacitor)

    탄탈 캐패시터는 전해 캐패시터에 비해서, 주파수 특성 및 온도 특성이 양호하며 ESR이 낮고 작은 정전용량을 가진다.

단점으로 가격이 비싸고, Short 성 불량이 자주 발생합니다. 회로 내에서, Short가 발생한다는 것은 그라운드로 대규모 전류가 흐른다는 것이므로, 제품 입장에서 매우 큰 불량입니다.

이유는 내부의 Tantalum Capacitor가 만들어지는 원인에 있는데, 보통 Oxide 층을 형성하기 위해서 (그림의 갈색 Dioxide 밑에 형성됨, Oxidized tantalum anode)  산화액(?)에 넣었다 빼는 과정을 거칩니다. 이 과정에서 균일하게 산화가 되지 않고 어디는 두껍거나 얇은 층이 형성되게 되는데, 이 현상으로 인해 전압이 얇은 부분에 가해지면 Shor성 불량으로 이어질 수 있게 됩니다.

3) 세라믹 캐패시터 (Ceramic Capacitor)

    가장 주로 사용하는 캐패시터로 MLCC가 있다. 다른 캐패시터와 비교하여 상당히 높은 주파수 특성을 가지며 디커플링 캐패시터나 AC Coupling 캐패시터의 용도로 사용한다. 일반적으로 10uF (2~10Mhz), 100nF(10~20Mhz)의 주파수 특성을 가지며 캐패시터의 값에 따라 용도가 매우 많다. ESR과 ESL도 낮기 때문에 리플 특성이 매우 우수하다.

4) 필름 캐패시터

    상대적으로 다른 캐패시터와 비교할때, 중간 정도의 주파수 특성을 지닌다. 

7. 캐패시터의 활용

1. 캐패시터는 특정한 주파수를 통과시킬 수 있습니다.

이는, 필터의 역할로 사용이 가능합니다. 저항 혹은 인덕터를 연결하여 LPF / BPF / HPF 등 여러가지 필터로 사용할 수 있습니다.

LPF는 다음과 같습니다.

fc = 1/ 2πC2R1 이므로, 저항과 캐패시터의 용량이 커질수록 차단 주파수는 낮아집니다.

여기서, 일반적으로 캐패시터의 값을 통해서 주파수를 변경하는데 저항값을 건드리게 되면 이득이나 임피던스에 직접적으로 영향을 줄 수 있기 때문에 캐패시터를 통해서 변경하는 것이 바람직합니다.

다음은, HPF 입니다.

회로의 우측을 Vout이라고 생각해보면 Vin은 C2를 거쳐야 Vout으로 갈 수 있습니다.

Capacitor는 앞서 배운 것과 같이 DC 성분은 Blocking 하고 AC 성분은 통과를 시키기 때문에 HPF로 사용이 가능하다는 것을 직관적으로 이해할 수 있습니다.

세번째는 BPF 입니다.

특정한 주파수는 통과시키고, 특정 주파수의 위 혹은 아래의 주파수는 통과시키지 않는 필터입니다.

간단하게 L과 C의 직렬 연결을 통하여 BPF의 특성을 설명 할 수 있습니다

L은 SRF(Self Resonance Freq)에서 임피던스가 높고, C는 SRF에서 임피던스가 낮습니다.

freq를 기준으로 설명을 해보면, freq가 낮을 때는 L의 임피던스가 낮기 때문에 통과할 수 있지만 C은 저주파를 통과시키지 않는 역할을 하기 때문에 통과할 수 없습니다.

freq가 고주파일 경우에는 C은 통과할 수 있지만, L는 임피던스가 높기 때문에 통과할 수 없습니다.

따라서 freq가 중간주파수일때 통과할 수 있는 BPF의 역할을 하는 필터로 동작을 할 수 있습니다.

2. 캐패시터의 충/방전을 이용한 RC Delay 회로

캐패시터는 충전과 방전을 하는 소자입니다. 이를 통해서, 특정 시그널을 의도적으로 늦추는 Delay회로 사용할 수 있습니다. 일반적으로 Signal은 고속 동작을 하기 위해서 이러한 RC Delay를 주지 않지만, Power Sequence에 대한 순서를 조정할 때는 사용할 수 있습니다.

U2의 PG (일반적으로 Power Good이라는 핀을 사용하여, Seq를 조절합니다.) 가 Vcc를 받아 턴온되게 되면,

U1의 Enable 핀으로 연결되어 U1은 턴온시키는 역할을 합니다.

이때 턴온되는 타이밍 등의 조절을 이러한 RC Delay를 통해서 할 수 있습니다.