DC-DC｜설계편

출력 콘덴서의 선정

2019.09.25

키 포인트

・출력 콘덴서 선정 시에는 정격전압, 리플 정격전류, ESR이 중요한 요소가 된다.

・평활화, 안정화와 더불어 출력 리플 전압에도 밀접한 관계가 있다.

목차

인덕터의 선정에 이어, 콘덴서의 선정에 관해 설명하겠습니다. 강압 DC-DC 컨버터에 필수인 콘덴서에는 출력 콘덴서와 입력 콘덴서가 있습니다. 먼저 출력 콘덴서부터 설명하겠습니다. 인덕터의 선정과 마찬가지로 콘덴서의 선정도 중요합니다. 선정 방법 및 권장 종류 등은 기본적으로 데이터 시트 및 관련 서포트 자료에 게재되어 있으므로, 본 내용과 함께 참조하여 주십시오.

입력 콘덴서와 출력 콘덴서의 역할

입력 콘덴서와 출력 콘덴서의 역할을 이해하기 위해, 강압 DC-DC 컨버터의 전류 흐름에 대해 복습하고자 합니다. 각 콘덴서에 흐르는 전류의 성질에 대한 차이점을 이해함으로써, 어떤 콘덴서를 선택해야 하는지 판단할 수 있습니다.

「강압 DC-DC 컨버터의 기본 회로 · 전류의 흐름 · 동작 원리」에서도 상기와 동일한 이미지를 사용했습니다. 주황색으로 표시한 파형에서 위쪽의 ICO가 출력 콘덴서, 아래쪽의 ICIN이 입력 콘덴서의 전류 파형입니다. 입력 콘덴서는 VIN에서 충전되고, 트랜지스터 Q1이 ON되면 스위치 전류 IDD가 되는 전류를 방전합니다. 비교적 큰 전류가 급격하게 반복하여 흐릅니다. 반면에 출력 콘덴서는 출력전압을 중심으로 출력 리플 전압과 연동하여 충방전을 반복합니다.

출력 콘덴서의 선정

출력 콘덴서의 선정에서는 하기의 3가지 요소가 중요합니다.

1) 정격전압

2) 리플 정격전류

3) ESR (등가 직렬 저항)

당연한 내용이지만, 콘덴서에 인가되는 전압 및 리플 전류는 콘덴서의 최대 정격 이하여야 합니다. 또한, ESR은 인덕터 전류에 관련하여 출력 리플 전압을 결정하는 중요한 요소이므로, 충분한 검토가 필요합니다.

출력 콘덴서의 리플 전류는 상기 그림의 ICO가 나타내는 바와 같이 삼각파이며, 그 실효치는 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

출력 리플 전압은 상기 그림의 인덕터 전류 IL의 리플분 ΔIL과 출력 콘덴서의 정전용량, ESR, ESL에 의해 발생한 전압의 합성 파형이며, 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

이를 파형으로 나타내면 다음과 같습니다.

스위칭에 의해 발생하는 인덕터 전류의 리플 ΔIL은 ESR에 단순히 비례하는 리플 전압을 발생시켜, ESL에 따라서는 방형파와 같은 전압이 발생하고, 그 정전용량 만큼이 합성되어, 가장 아래쪽 파형이 최종적인 출력 리플 전압 파형이 됩니다.

출력 리플 전압을 나타내는 식으로 하기의 식이 사용됩니다. 콘덴서에 의한 리플 전압과 ESR에 의한 리플은 위상 편차가 있으므로 단순한 덧셈이 되지는 않지만, 리플 전압의 최악의 수치 산출에 자주 사용되는 식입니다.

이 식에서 출력 리플 전압을 작게 하기 위해서는, ESR을 낮추고 출력 콘덴서의 용량을 늘려, 스위칭 주파수를 높임으로써, IL은 필요 최저한으로 한다는 것을 알 수 있습니다.

최근, 출력 콘덴서에 적층 세라믹 콘덴서를 사용하는 케이스가 증가하고 있습니다. 세라믹 콘덴서는 ESR과 ESL이 매우 작으므로, 관찰되는 리플 전압은 대부분 콘덴서의 정전용량에서 기인한 것입니다.

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