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2019.06.20 스위칭 노이즈 - EMC

콘덴서의 주파수 특성이란?

콘덴서를 사용한 노이즈 대책

스위칭 전원의 입력 필터 편에서, 스위칭 전원의 입력용 차동 모드 필터에는 콘덴서, 인덕터, 페라이트 비즈 및 저항을 사용한다고 설명했습니다. 이제부터는, 그 중에서 노이즈 대책의 기본이라고 할 수 있는 콘덴서와 인덕터를 사용한 노이즈 대책에 대해 설명하겠습니다. 여기에서는 단순한 4소자 모델을 사용합니다. 고주파 공진을 표현하는 경우에는 그 이상의 소자 모델을 사용하는 경우도 있습니다.

콘덴서의 주파수 특성이란?

콘덴서를 사용하여 노이즈 대책을 실시할 경우에는, 콘덴서의 특성을 잘 이해해야 합니다. 하기 그림은 콘덴서의 임피던스와 주파수의 관계를 나타낸 것으로, 콘덴서의 기초로서 대표적인 특성 중 하나입니다.

콘덴서에는 정전용량 C뿐만 아니라, 저항 성분인 ESR (등가 직렬 저항), 인덕턴스 성분인 ESL (등가 직렬 인덕턴스), 정전용량과 병렬하여 존재하는 EPR (등가 병렬 저항)이 존재합니다. EPR은 전극 간의 절연 저항 IR, 또는 전극 간에 누설 전류가 있다는 것과 동일한 의미입니다. IR이 사용되는 것이 일반적일 수도 있습니다.

C와 ESL로 직렬 공진 회로를 형성하고, 콘덴서의 임피던스는 그림과 같이 기본적으로는 V자 형태의 주파수 특성을 나타냅니다. 공진 주파수까지는 용량성의 특성을 나타내며, 임피던스는 저하됩니다. 공진 주파수에서의 임피던스는 ESR에 의존합니다. 공진 주파수를 넘으면 임피던스 특성은 유도성으로 변하고, 주파수가 높아짐에 따라 임피던스는 높아집니다. 유도성의 임피던스 특성은 ESL에 의존합니다.

공진 주파수는 다음 식으로 산출할 수 있습니다.

이 식은 정전용량이 작고 ESL이 작은 콘덴서일수록 공진 주파수가 높다는 것을 나타냅니다. 이를 노이즈의 제거에 반영하면, 정전용량이 작고 ESL이 작은 콘덴서일수록 더 높은 주파수에서 임피던스가 낮으므로, 고주파 노이즈 제거에 우수합니다.

설명의 순서가 바뀌었습니다만, 콘덴서를 사용하는 노이즈 대책은 콘덴서의 「교류는 통과하고, 주파수가 높을수록 통과하기 쉽다」는 기본 특성을 이용한 것으로, 예를 들면 불필요한 노이즈 (교류 성분)를 신호 및 전원 라인으로부터 GND로 바이패스하는 것입니다.

하기의 그림은 정전용량이 다른 콘덴서의 임피던스 주파수 특성입니다. 용량성 영역에서는 정전용량이 큰 쪽이 임피던스가 낮습니다. 또한, 정전용량이 작을수록 공진 주파수가 높고, 유도성 영역에서 임피던스는 낮습니다.

콘덴서 임피던스의 주파수 특성에 대한 설명을 하기에 정리해 두었습니다.

  • ・정전용량과 ESL이 작으면 공진 주파수가 높아져, 고주파 영역에서의 임피던스가 낮다
  • ・정전용량이 클수록 용량성 영역의 임피던스는 낮다.
  • ・ESR이 작을수록 공진 주파수에서의 임피던스가 낮다.
  • ・ESL이 작을수록 유도성 영역에서의 임피던스가 낮다.

간단히 말하자면, 임피던스가 낮은 콘덴서는 노이즈 제거에 우수하지만, 임피던스의 주파수 특성은 콘덴서에 따라 달라지므로, 그 특성은 중요한 체크 포인트입니다. 노이즈 대책으로서 콘덴서를 선정할 때에는, 용량이 아니라 임피던스의 주파수 특성을 바탕으로 선정하여 주십시오. 즉, 용량이 아니라 LC의 직렬 공진 회로를 연결하는 것을 의식하여, 주파수 특성을 고려할 필요가 있습니다.

키 포인트

・노이즈 대책용 콘덴서 선정 시에는, 용량이 아닌 임피던스의 주파수 특성을 바탕으로 선정한다.

・정전용량과 ESL이 작으면 공진 주파수가 높아져, 고주파 영역에서의 임피던스가 낮다.

・정전용량이 클수록 용량성 영역에서의 임피던스가 낮다.

・ESR이 작을수록 공진 주파수에서의 임피던스가 낮다.

・ESL이 작을수록 유도성 영역에서의 임피던스가 낮다.

노이즈 대책의 기초