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2019.11.06 스위칭 노이즈 - EMC

효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법 ~ 기타 주의사항

콘덴서를 사용한 노이즈 대책

앞서 효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법 ~ 포인트 2에서는, 「디커플링 콘덴서 (바이패스 콘덴서)의 사용 방법」의 포인트 1 「여러 개의 디커플링 콘덴서를 사용한다.」에 이어, 포인트 2 「콘덴서의 ESL을 낮춘다.」에 대해 설명했습니다. 이번에는 마지막 포인트인 「기타 주의사항」에 대해 설명하겠습니다.

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

효과적인 디커플링 콘덴서의 사용 방법 : 기타 주의사항

①Q가 높은 세라믹 콘덴서

콘덴서에는 Q라고 하는 특성이 있습니다. 하기 그림은 Q와 주파수 – 임피던스 특성의 관계를 나타낸 것입니다.

Q가 높으면 특정 좁은 대역에 대해 임피던스가 극단적으로 낮아집니다. 반면에 Q가 낮은 경우에는 임피던스가 극단적으로 낮아지지는 않지만, 넓은 대역에 걸쳐 임피던스를 낮출 수 있습니다. 이러한 특성은 특정 EMC 규격의 준거에서 유효한 경우가 있습니다. 예를 들어, 정전용량의 편차가 큰 콘덴서를 사용하는 경우, Q가 높으면 원하는 주파수의 노이즈를 제거할 수 없는 개체가 존재할 가능성이 있습니다. 이러한 경우에, 일부러 Q가 낮은 콘덴서를 사용하여, 편차에 의한 영향을 억제하는 방법도 있습니다.

②서멀 릴리프 (Thermal relief) 등의 PCB 패턴

방열 특성 향상을 목적으로 하는 서멀 릴리프 등의 PCB 패턴의 경우, 패턴의 인덕턴스 성분이 증가합니다. 인덕터 성분의 증가는 공진 주파수를 저주파 측으로 이동시키므로, 원하는 노이즈 제거 효과를 얻을 수 없게 되는 경우가 있습니다.

③대책 검토 시, 콘덴서 임시 실장

프로토타이핑 후, 고주파의 노이즈 대책이 필요하여 소용량 콘덴서 추가를 검토하게 되는 경우가 있습니다. 이때, 하기 그림과 같이 대용량 콘덴서 위에 추가 콘덴서를 실장 (왼쪽 예)하면, 종방향으로 불필요한 인덕턴스 성분이 추가되는 것이므로, 콘덴서 추가의 효과를 충분히 발휘시킬 수 없습니다. 중앙 예의 경우, 「소용량 콘덴서를 노이즈원에 최대한 가깝게 배치한다」는 이론에는 어긋나지 않지만, 실제로 수정하는 PCB 레이아웃과는 임피던스가 달라집니다. 최선의 방법은 실제 수정에 최대한 가까운 배치로 검토하는 것입니다. (오른쪽 예)

대책 검토 시에는 노이즈 시험을 통과했지만, 수정한 PCB에 실장하면 NG인 경우도 있으므로, 검토 시부터 실제의 실장을 의식할 필요가 있습니다.

④콘덴서의 정전용량 변화율

노이즈 대책용 콘덴서의 정전용량 변화율이 크면 공진 주파수의 변동이 커져, 감쇠하고자 하는 대역에 변동이나 편차가 발생하므로, 의도한 노이즈 대책이 어려워지는 경우가 있습니다. 특히 좁은 대역에서 큰 감쇠를 필요로 하는 노이즈 대책 시에는 주의가 필요합니다. 하기 표는 정전용량의 변화율에 대한 실제 정전용량과 공진 주파수를 나타낸 것입니다. 내용을 살펴보면, 조건에 따라 달라지기는 하지만, 허용할 수 없는 경우도 적지 않다는 것을 알 수 있습니다.

정전용량 변화율 (%) 용량 (pF) 공진 주파수 (MHz)
+20 1,200 145
+10 1,100 152
+5 1,050 155
±0 1,000 159
-5 950 163
-10 900 168
-20 800 178

※ L=1nH로 계산

⑤콘덴서의 온도 특성

콘덴서에는 온도에 따른 특성 변동이 있습니다. 현재로서는 EMC 시험의 온도 특성은 규격화된 것이 없지만, 어플리케이션에 따라서는 명백하게 고온 환경, 저온 환경에서의 동작이 요구되거나, 큰 온도 변화가 발생하는 조건이나 환경에서 사용되는 것도 있습니다.

이러한 경우에는 ④정전용량 변화율 부분에서 설명한 것과 같은 문제가 발생할 가능성이 높으므로, 노이즈 대책에 사용하는 콘덴서에는, 되도록 CH, C0G 규격과 같은 온도 특성이 좋은 제품을 사용하는 것이 좋습니다.

키 포인트

・Q와 주파수 – 임피던스 특성의 관계를 이해하고, 목적에 따라 Q의 차이점을 구분하여 사용한다.

・Q가 높은 콘덴서는 좁은 대역에서 임피던스 저하가 급격하다. Q가 낮은 콘덴서는 넓은 대역에서 완만하게 저하된다.

・기판 패턴의 서멀 릴리프 등은 인덕터 성분을 증가시켜, 공진 주파수를 저주파 측으로 이동시킨다.

・대책 검토 시의 임시 실장은, 실제의 수정에 적합한 실장 방법을 취하지 않으면, 수정 후의 기판에서 검토 시의 효율을 얻을 수 없게 될 가능성이 있다.

・정전용량 변화율이 크면 공진 주파수가 변동하여, 원하는 주파수에서의 노이즈 감쇠를 얻을 수 없게 된다.

・온도 조건 및 변동이 까다로운 어플리케이션에서는 CH, C0G 규격과 같은 온도 특성이 우수한 제품의 사용을 검토한다.

노이즈 대책의 기초