1. 커패시턴스 공식 정리
커패시터는 커패시턴스 특성을 가진 수동소자.
C = F (커패시턴스 = 단위 : 패럿)
Q = C * V (전하량 = 커패시턴스 * 전압)
I = C(dV/dt) (전류 = 커패시턴스*시간에 따른 전압 변화량)
E= C*V^2 / 2 (에너지 = 커패시턴스*전압제곱 / 2 )
2. 고주파 모델의 커패시터 고려사항
주파수 특성이 중요한 소자인 커패시터에서는 기생 성분 고려가 중요
이런 기생 성분들은 저주파회로에서는 많이 고려하지 않지만 고주파회로에서는 큰 영향을 미침
- ESR (등가 직렬 저항, Equivalent Series Resistance)
기생 저항 성분으로 인하여 전력손실이 발생할수도 있다.
또한 RC지연 현상이 발생하며, 임피던스가 변화 할 수 있어 신호에 큰 영향을 미친다.
- ESL (등가 직렬 인덕턴스,Equivalent Series Inductance)
커패시턴스와 인덕턴스 공진이 발생하여 고주파수로 갈 수록 인덕턴스의 영향이 발생하여 고주파수 특성에 영향을 미친다.
- SRF (자기 공진 주파수, Self Resonant Frequency)
인덕턴스의 영향으로 반대로 임피던스가 증가하기 시작하는 지점의 주파수를 자기공진 주파수라 한다.
3. 커패시터의 종류
(1) 알루미늄 전해 커패시터
알루미늄 전해 커패시터는 산화 알루미늄이 도전체로 사용되며, 절연체로 전해액을 투입한 종이로 분리된 구조를 갖는다.
다른 커패시터에 비해 높은 용량을 가지고, 소자의 크기도 크다. 수천 uF 이상의 대용량이 필요한 AC-DC 전원의 정류 평활 회로에 많이 쓰인다.
소자의 전압 극성이 있어 + 극에 연결되는 전압이 -극에 연결되는 전압보다 반드시 높아야한다.
( - 극에는 색이 칠해져 표시가 되어있음)
사용 온도에 따른 수명이 민감하고, 6000시간 @125도 와같이 온도에 따른 사용 수명이 데이터시트에 명기되어 있다. 노후 될 수록 전해 커패시터의 전해액이 흘러나올 수 있어 수명 단축 될 수 있다.
시간이 지날수록 커패시턴스 용량이 70%까지 감소하므로 소자 선정에 있어 1.3배 이상의 용량여유는 필수 이다.
○ 높은 ESR과 ESL로 주파수 특성이 좋지 않다. 구동 주파수가 수 KHz 이하의 대용량 커패시턴스가 필요한 곳인 평활 회로 같은 곳에 사용된다.
(2) 탄탈 커패시터
엔지니어들 사이에서 탄탈이라고 부르며, 고체 전해액을 사용한 구조를 가진다. 고체 전해액이기 때문에 전해 커패시터와 같이 전해액이 누수 되는 현상은 없다.
전해커패시터보다는 아니지만, 다른 커패시터보다 비교적 대용량이기 때문에 전원 안정화 용도로 많이 사용한다.
ESR, ESL 이 알루미늄 커패시터보다 작아 주파수 특성이 좋고 사용 온도 범위가 넓다.
전해커패시터와 마찬가지로 극성이 있어 반대로 연결할 경우 손상된다.
탄탈 커패시터에서 가장 조심해야할 부분은, 탄탈 커패시터는 과전압 등의 전기적 충격으로 인해 파손이 될 경우 단락되기 쉽다. 이 현상으로 탄탈 커패시터가 파손되면 과전류가 흐르며 주위 다른 소자들에 까지 영향을 미쳐 파손시킬 수 있으며 심할 경우 화재로 이어진다.
탄탈 커패시터는 반드시 사용하려는 전압의 2~3배 이상 큰 내압으로 사용하도록 한다. 전압이 인가되는 입력부에는 반드시 과전압/과전류 보호 회로를 두도록 한다.
(3) 세라믹 커패시터
세라믹 커패시터는 니켈 금속의 도전체와 세라믹의 유전체로 구성된다.
이 세라믹 커패시터 중 가장 많이 사용되는 커패시터로는 크기를 줄이고 용량을 늘리는 목적으로 다층으로 구성한 형태의 MLCC(적층 세라믹 커패시터)가 있다.
이 MLCC 커패시터는 가장 많이 사용되는 커패시터이므로, 아래 기본 특성들을 꼭 숙지해야한다.
ESR과 ESL이 낮아 우수한 고주파 특성을 보이며, 정밀성이 그다지 필요없는 바이패스용 등의 고주파 회로에 많이 사용된다.
온도 특성이 좋아 높은 온도에서도 사용할 수 있고, 극성이 없기 때문에 어느 쪽으로 연결해도 상관 없다.
비교적 용량이 작고 대용량이 필요한 평활 회로와 같은 곳에 사용할 수없다. 오차율이 크기 때문에 정밀 회로에 쓰기에는 무리가 있다.
MLCC 커패시터는 고주파수의 전압을 흘리면 수축과 팽창을 반복하여 PCB 기판에 미세한 진동을 유발하여 소음이 발생할 수도 있다. 고주파의 ON/OFF 스위칭이 발생되는 스위칭 레귤레이터 소자에 연결된 경우 소음 현상이 종종 발생한다. 파손될 경우 단락되는 양상을 보이므로, 내압에 충분한 마진을 가질 수 있도록 한다.
(4) 마이카 커패시터
고주파 특성이 우수하며, 정밀하여 필터 회로 등에 사용되지만 가격이 비쌈
(5) 마일러 커패시터
폴리에스테르 필름을 유전체로 사용하며, 폴리에스테르 필름 커패시터라고도 한다.
전극에 극성이 없고 오차율이 높다. 파손시 개방의 특성을 가지므로 안전하다.
고압의 서지/ESD 신호를 위한 AC 전원부의 X/Y 안전 커패시터로 많이 사용된다.
4. 커패시터의 선정
| 체크리스트 | 내용 |
| 종류 및 타입 결정 | SMD를 사용할 것인가 DIP를 사용할 것인가? |
| 커패시터 용량 | 제조되고 있는 시장에 있는 용량인가? |
| 허용 오차 | 회로에 커패시터의 허용 오차가 영향을 미치지 않는가? |
| 정격 허용 전압(내압) | 정격 허용 전압(내압)에 여유가 있는가? |
| 서지 내압 | 예상되는 최대 전압이 서지 전압 안에 있는가? |
| 사용환경 온도 | 사용환경 온도가 허용 온도 내에 있는가? 온도 상승에 따른 오차가 영향이 없는가? |
| 누설 전류 | DC 누설 전류가 회로에 영향을 주는가? (보통의 디지털 회로에서는 무시) |
| 리플 전류 | 회로에서 발생되는 리플을 커패시터가 감당할 수 있는가? |
5. 정격 전압(내압, 내전압) (Rated Voltage, V)
커패시터 양단에 연속적으로 가해도 정상 동작 할 수 있는 전압의 최대값
내압은 커패시터 선정에서 안전에 대해 매우 중요한 요소로 충분한 여유를 두도록 함
내압은 최소 1.6배 이상, 전원단에 사용하는 경우 2~3배 이상의 충분한 여유를 두도록 한다.
6. 커패시터 소자의 용도
커패시터의 기본 기능은 전하의 충전과 방전의 동작을 응용한다.
(1) DC 전원 안정화 용도와 평활 회로
커패시터의 중요 용도 중 하나는 DC 입력 전원의 안정화 기능, 정류 신호를 큰 리플이라고 보고 이를 제거하여 안정화 된 DC 전원을 만드는 역할.
AC 신호를 DC로 만들기 위한 한 방법 중 정류 회로가 있으며 정류 회로중 반파 정류 회로는 AC 신호의 + 전압만 통과 시키도록하는 회로이다.
전원 입구에서 DC 전압의 안정화를 위해서는 커패시터에 충전되어 있는 전하를 방전하면서 전류를 보완해 주는 역할이므로 기본적으로 큰 용량의 전해 커패시터나 탄탈 커패시터를 사용한다.
(2) 바이패스(Bypass), 디커플링(Decoupling) 커패시터
바이패스는 비켜가다 라는 뜻을 가지는데, 고주파 노이즈를 시스템으로 인입시키지 않도록 하기 위한 기능을 말한다. 커패시터의 임피던스가 고주파 신호일수록 낮아진다는 특성을 이용하여 그라운드와 병렬로 연결하여 고주파 노이즈를 그라운드로 우회하도록 하는 용도의 커패시터를 말한다. 이때 바이패스 용도로 MLCC 커패시터가 주로 사용된다. 디커플링은 AC의 신호를 분리하다라는 의미로 바이패스 커패시터와 동일 선상에 둘 수 있다. 주 전원에서 들어오는 고주파 AC 노이즈의 분리도 있지만, 반대로 IC에서 발생되는 고주파 AC 노이즈가 주전원으로 나가지 못하도록 한다.
보통은 IC의 전원 Vcc 핀 바로 옆에 장착하여 전류 백업, 전원 안정화, 노이즈 제거 등의 역할을 하는 커패시터를 바이패스 커패시터 또는 디커플링 커패시터라 부른다.
(3) 전류 백업 (BackUp)
IC 들은 내부 디지털 회로의 스위칭 동작이 일어나는 순간 IC 소모 전류가 갑자기 증가될 수 있는데, 전원 출력에서 IC 전원 핀 까지의 저항에 의해 또는 전원 소자의 전류 변동에 대한 응답이 늦기 때문에 순간적인 전압 강하가 발생된다. 이에 대해 IC 전원 핀에 가까이 커패시터를 장착하여 , 순간적인 IC 전류 소모에 대해 커패시터에 축적된 전하의 방전으로 전류를 보완하여 전압 안정화를 구현할 수 있다.
(4) 필터 (Filter)
커패시터는 고주파에서 임피던스가 낮아지며(고주파에서 전류가 잘 흐름, AC 성분일 수록 전류가 잘 흐름), 이 특성을 이용하면 필터에 사용할 수 있다. RC 저주파 필터, RC 고주파 필터, LC 필터, 능동 필터 등에 이르기까지 모든 필터 종류에 사용된다.
(5) 커플링(Copling)
고주파신호만 흐를 수 있게함. 즉 AC 를 통과 시키고 DC를 차단하는 역할을 한다.
위의 디커플링 역할과 반대되는 개념이다.
(5) 디바운싱 (Debounce, 채터링 방지)
디바운스는 신호가 바운스하는 즉 진동하는 것을 방지하는 용도를 말한다.
스위치를 손으로 눌러 켜고 끌 때, 기계 접점이 순간적으로 붙었다 떨어졌다 하며 신호가 흔들리는데 이를 채터링 현상이라 한다. 이 채터링 현상을 막는 역할로 사용되며, 결국 RC 저주파 필터와 동일한 역할을 한다.
7. 회로해석으로 복습....
'Embedded System > 전자회로 (PCB)' 카테고리의 다른 글
| 납땜(Soldering) 장비/ 방법 (0) | 2023.07.29 |
|---|---|
| 스위칭 레귤레이터 (Switching Regulator) (0) | 2023.04.23 |
| [C] 커패시턴스(Capacitance) 정리 (0) | 2023.04.17 |
| 입/출력 임피던스(Impedance, Z) (0) | 2023.04.14 |
| 저항(Resistor) (0) | 2023.03.07 |
