스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란? : 콘덴서편전기적 사양뿐만 아니라, 재료와 케이스를 포함한 특성도 중요

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

－지금까지의 설명에 따르면, 적층 세라믹 콘덴서가 ESR, 용량 / 사이즈, 신뢰성 / 수명에 있어서 상당히 우위에 있다고 할 수 있겠네요.

그렇습니다. ESR, 용량 / 사이즈, 신뢰성 / 수명, 그리고 등가 직렬 인덕턴스 ESL도 매우 낮아, 유전체 피막의 두께에서는 신뢰성뿐만 아니라 고내압화에도 유리합니다. 하지만, 적층 세라믹 콘덴서가 완벽하다고는 할 수 없습니다. 하기 표는 각각의 장단점을 정리한 표입니다.

표에서 보시는 바와 같이, 고온측의 온도 특성과 DC 바이어스 특성은, 다른 것 보다 열등하다고 할 수 있습니다.

－구체적으로 어떤 특성입니까?

하기의 정전 용량의 온도 특성 그래프와 DC 바이어스에 대한 그래프를 보시면, 온도 특성은 청색과 적색 선이 적층 세라믹 콘덴서이며, 녹색이 알루미늄 전해, 황색이 탄탈입니다. 저온측에서 알루미늄 전해의 용량이 극단적으로 떨어지는 것은 차치하더라도, 고온측에서 적층 세라믹의 용량 저하가 다른 것에 비해 크다는 것을 알 수 있습니다. 청색선의 온도 특성은 X6S이므로, -55℃~105℃ 대응, 변화율은 ±22%입니다. 적색 선은 X7R로, -55℃~105℃ / ±15%입니다. 이들은, 비교적 온도 특성이 우수한 등급으로 DC-DC 컨버터에서 자주 사용되지만, 예를 들어, Y5V라는 하위 등급에서는, -30℃~85℃ 대응에서 변화율이 +22% / -82%입니다. 아마도 이 등급은, 통상의 DC-DC 컨버터에는 부적합할 것입니다.

－적층 세라믹 콘덴서의 ESR이 낮은 것에 대해 설명해 주셨습니다.
DC-DC 컨버터에는 리플이 있는데, ESR의 주파수 특성은 어떻습니까?

그래프를 보시면 이해가 빠를 것입니다. 하기의 좌측 그래프는 주파수에 대한, ESR과 임피던스의 변화를 나타냅니다. 자주색과 얇은 곤색 선이 적층 세라믹 콘덴서이며, 나머지는 탄탈 전해와 기능성 고분자의 특성입니다. 적층 세라믹은 공진점까지 직선으로 저하하지만, 다른 선은 완만하고, ESR에도 큰 차이가 있습니다. 또한, 하기 표는 ESL과 포인트에서의 수치를 나타낸 것입니다.

우측은 리플 전류와 온도 상승에 대한 그래프입니다. 당연히 ESR이 낮은 적층 세라믹은 온도 상승이 적습니다. 이는, 콘덴서의 수명에도 크게 영향을 미치므로, 발열이 적은 것이 중요한 포인트입니다.

－그밖에 적층 세라믹의 특징 중, 꼭 알아두어야 하는 점이 있습니까?

한가지 있습니다. 케이스 사이즈에 따라, 기생 성분인 ESR과 ESL에 차이가 있다는 점입니다. 실제로 케이스가 작을수록, ESR과 ESL은 작아지는 경향이 있습니다. 이와 관련해서 하기의 그래프를 참조하여 주십시오. 10µF의 1005 사이즈부터 3225까지 5종류의 데이터입니다. 이 그래프에서 중요한 범위는, DC-DC 컨버터를 전제로 했을 때, 주파수는 수백kHz에서 최근의 고속 제품일 경우 6MHz, 그 중에는 10MHz까지 대응한다는 제품도 있지만, 대략적으로는 청색 선으로 표시된 범위일 것으로 생각됩니다.

ESR은 스위칭 주파수 대역에 있어서 케이스가 작은 것이 작습니다. 공진점을 지나 용량 성분이 인덕턴스 성분, 즉 ESL로 바뀐 후에는, 3216과 3225가 케이스의 종횡비 관계로 역전되지만, 전체적으로는 케이스가 작은 쪽이 ESL이 작다는 경향이 있습니다.

－IC의 경우, 전기적 특성이 주체가 되기 쉽지만, 콘덴서는 동일 용량이나 내압에서도 구조 및 재료에 따라 고유의 특성을 지닌다는 점을 알 수 있었습니다.

실제로는, 그 부분이 상당히 중요한 포인트입니다. 콘덴서는 심플한 부품이지만, 재료에 따른 특성의 차이 및 주의점 등을 제대로 이해하고 선택하지 않으면, 때때로 문제의 주원인이 되는 경우가 있습니다. 예를 들어, DC-DC 컨버터의 응용 예에서, 정전 용량뿐만 아니라 종류 및 메이커까지 지정하는 경우가 있습니다. 이는, 용량과 내압이 같다고 해서 함부로 다른 종류로 변경할 경우, 정상 동작하지 않을 가능성이 있기 때문입니다.

※본 기사는 2015년 10월 시점의 내용입니다.