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2021.07.28 DC/DC

보충 – 입력 콘덴서의 선택

DC/DC 컨버터의 인덕터와 콘덴서 선정

본 기사는 「DC/DC 컨버터의 인덕터와 콘덴서 선정」 편의 「입력 콘덴서의 선정」에 관련된 내용입니다.

입력 콘덴서의 선택 – 보충

지난 편에서는 입력 콘덴서의 선정을 위해, 입력 콘덴서와 출력 콘덴서의 역할에 대해 복습하고, 입력 콘덴서를 선택하기 위한 포인트와 전압 및 리플 전류의 정격, 리플 발열 특성, 세라믹 콘덴서의 온도 특성과 DC 바이어스 특성에 대해 설명했습니다.

대부분의 실제 회로에서 입력 콘덴서는, 지난 편에서 설명한 CIN과 더불어, 고주파 노이즈를 저감하기 위한 콘덴서 CBYPASS로 구성된다는 점에 착안하여, 본 편에서 CBYPASS에 대해 추가로 설명하겠습니다.

입력 콘덴서 CBYPASS의 역할

DC/DC 컨버터의 입력에는 비교적 정전용량이 큰 입력 콘덴서 CIN이 필요합니다. CIN의 역할은 출력 스위치가 ON되었을 때 입력에서 급격하게 필요로 하는 전류의 공급원이며, 이때 발생하는 리플 전압을 저감하는 것입니다. 적절한 CIN에 의해 출력 스위칭에 대해서도 입력전압은 안정을 유지합니다. 오른쪽 그림은 이러한 설명에서 자주 사용되는 모식도입니다.

그러나 실제의 입력에는, 본래의 입력전류 ON / OFF로 인한 리플뿐만 아니라, 스위칭에 따른 고주파의 전류 변화가 전압 스파이크나 노이즈가 되어 나타납니다. 이는 노이즈로서 악영향을 초래하므로 저감해야 합니다. 하기 그림은 입력에서의 전류의 변화에 대한 리플과 노이즈의 관계를 나타낸 것입니다.

이러한 이유에서, 입력에는 스위칭 주파수의 리플과 고주파 노이즈의, 2가지 대역의 노이즈가 존재합니다.

앞서 설명한 바와 같이 CIN은 주로 리플 전압의 저감을 목적으로 사용되므로, 비교적 정전용량이 큰 콘덴서를 사용합니다. 그러나, 일반적으로 CIN에 적절한 콘덴서는 고주파수 대역에서의 임피던스 특성이 나쁘고, 리플 전압의 저감에는 효과를 발휘하더라도 고주파 노이즈를 충분히 저감할 수는 없습니다. 따라서, 더욱 높은 주파수 대역에서 임피던스가 낮은 콘덴서를 추가함으로써 대처해야 합니다. 이러한 콘덴서는 CIN과는 구별하기 위해 CBYPASS라는 명칭을 사용합니다. 일반적으로는 0.1µF 정도의 세라믹 콘덴서가 이용됩니다. 이러한 개념은 「고주파 노이즈 저감용 디커플링 (또는 바이패스) 콘덴서」와 동일합니다.

하기 그림은 CIN과 CBYPASS를 사용하는 회로의 예로, C2가 CIN, C4가 CBYPASS입니다. 또한, 예로서 CIN=22µF, CBYPASS=0.1µF일 때의 임피던스 특성을 나타낸 것입니다. 입력으로는 2개의 콘덴서의 합성 임피던스 특성을 얻을 수 있습니다.

만약 입력 콘덴서의 정전용량이 비교적 작아도 무방한 경우에는, 세라믹 콘덴서 1개로 CIN과 CBYPASS를 겸할 수 있습니다. 단, 이때 콘덴서의 임피던스 특성과 발생하는 리플과 노이즈의 주파수를 확인해야 합니다.

기판 배치 시 주의점

입력 콘덴서는 최대한 IC의 VIN 단자에 가깝게 배치하는 것이 기판 레이아웃의 대원칙입니다. 배치가 멀어지면 그 거리에 따른 기판 배선의 기생 인덕턴스를 거치게 되어, 인덕턴스와 급격한 전류의 ON / OFF로 인해 큰 스파이크 전압이 발생하게 됩니다.

또한, 정전용량이 작은 콘덴서를 노이즈원에 까깝게 배치하는 것도 원칙입니다. 이러한 경우, VIN (PVIN) 단자가 노이즈원에 해당되므로, 회로도와 같이 IC의 PVIN으로부터 CBYPASS (C4), CIN (C2)의 순서로 배치합니다. CIN은 소형 적층 세라믹 콘덴서를 사용하는 경우가 많으므로, IC의 VIN 단자에 최대한 가까운 위치에 배치하기 쉬울 것입니다.

키 포인트

・입력 콘덴서는 리플 저감용 대용량 콘덴서와 더불어, 고주파 노이즈 저감용 디커플링 콘덴서와 조합하여 사용하는 경우가 많다.

・입력 콘덴서는 IC의 VIN 단자에 최대한 가깝게 배치하고, 디커플링 콘덴서를 VIN 측에 배치한다.

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