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2019.10.23 스위칭 노이즈 - EMC

디커플링 콘덴서 (바이패스 콘덴서)의 사용 방법 ~ 포인트 1

콘덴서를 사용한 노이즈 대책

앞서, 콘덴서의 주파수 특성이란? 편과, 콘덴서를 사용한 노이즈 대책이란? 편을 통해 콘덴서의 주파수 특성과 그 특성을 이용한 노이즈 저감 대책에 대해 설명했습니다. 이번에는 디커플링 콘덴서의 효과적인 사용 방법에 대해 알아보겠습니다.

효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법

효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법에 대한 포인트는 크게 하기 2가지로 정리할 수 있습니다. 또한, 그 이외에도 몇 가지 주의사항이 있습니다. 이번 편에서는 하기 내용 중, 「포인트 1」에 대해 설명하겠습니다.

  • ・포인트 1 : 여러 개의 디커플링 콘덴서를 사용한다.
  • ・포인트 2 : 콘덴서의 ESL (등가 직렬 인덕턴스)을 낮춘다.
  • ・기타 주의사항

포인트 1 : 여러 개의 디커플링 콘덴서를 사용한다.

효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법에는, 여러 개의 콘덴서로 디커플링을 실시하는 방법이 있습니다. 이렇게 여러 개의 콘덴서를 사용하는 경우에는, 정전용량이 동일한 콘덴서를 사용하는 것과 정전용량이 다른 콘덴서를 섞어서 사용하는 것에 따라 효과가 달라집니다.

・정전용량이 동일한 콘덴서를 여러 개 사용하는 경우

오른쪽 그래프는 22µF의 콘덴서가 1개인 경우 (청색), 2개인 경우 (적색), 3개인 경우 (자주색)의 주파수 특성입니다.

그래프가 나타내는 바와 같이, 정전용량이 동일한 콘덴서를 추가하면, 모든 주파수 범위에서 임피던스가 낮은쪽으로 시프트, 즉 저하됩니다.

이는 정전용량이 동일한 콘덴서를 병렬로 접속했을 때의, 공진점까지의 용량성 특성, ESR (등가 직렬 저항)에 의존한 공진점의 임피던스, 공진점 이후의 ESL (등가 직렬 인덕턴스)에 의한 유도성 특성을 고려하면 이해할 수 있습니다.

병렬 접속한 정전용량은 합산되므로, 3개의 경우에는 66µF이 되어, 용량성 영역의 임피던스는 저하됩니다.

공진점의 임피던스는 콘덴서 3개분의 ESR의 병렬 접속이므로, 이 됩니다. 콘덴서의 ESR이 모두 동일하다고 가정할 경우, ESR은 1/3로 감소하여 임피던스도 저하됩니다.

공진점 이후 유도성 영역의 ESL도 병렬이므로, 이 됩니다. 콘덴서 3개의 ESL이 모두 동일하다고 가정할 경우, ESL은 1/3로 감소하여 임피던스도 저하됩니다.

이와 같이, 정전용량이 동일한 콘덴서를 여러 개 사용함으로써, 모든 주파수 범위에서 임피던스를 낮출 수 있으므로, 노이즈를 한층 더 감쇠시킬 수 있습니다.

・정전용량이 다른 콘덴서를 여러 개 사용하는 경우

오른쪽 그림은 22µF의 콘덴서에, 0.1µF, 그리고 0.01µF의 콘덴서를 병렬로 추가한 경우의 주파수 특성입니다.

정전용량이 더 작은 콘덴서를 추가함으로써, 높은 주파수에서의 임피던스를 낮출 수 있습니다. 22µF 단품의 주파수 특성에 0.1µF과 0.01µF의 특성이 합성된 특성 (적색 점선)이 됩니다.

여기에서 주의해야 할 점은, 주파수에 따라 반공진이 발생하고, 역으로 임피던스가 높아져 EMI가 악화된다는 점입니다. 반공진은 용량성 특성과 유도성 특성이 교차되는 포인트에서 발생됩니다.

추가하는 콘덴서의 용량은, 저감시키고자 하는 노이즈의 주파수에 따라 선정하는 것이 일반적입니다.

또한, 여기에서 제시한 주파수 특성의 파형도는, 기판의 패턴 배선 등으로 기인하는 기생 성분은 고려하지 않은 이상적인 데이터입니다. 실제의 노이즈 대책 시에는, 기생 성분의 영향을 고려해야 합니다. 다음 편에서는 2번째 포인트에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법으로는, ①여러 개를 사용한다 ②콘덴서의 ESL을 낮춘다는 2가지 포인트가 있다.

・여러 개를 사용하는 경우에는, 정전용량이 동일한지 다른지에 따라 효과가 달라진다.

노이즈 대책의 기초