스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란? : 콘덴서편입력 콘덴서 선택 시 리플 전류, ESR, ESL에 주목

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

－앞에서 콘덴서의 특성이 재료 및 케이스에 따라 달라지는 것에 대해 알아보았습니다. 이번에는 실제 스위칭 전원 회로에 사용하는 경우, 그 특성 및 성질이 구체적으로 어떠한 영향을 미치는지에 대해 설명해주십시오.

알고 계시겠지만, 스위칭 전원 회로에는, 입력 콘덴서와 출력 콘덴서가 필요하며, 각각 취급하는 전압과 전류의 성질이 다릅니다. 입력과 출력을 구분하여 설명하는 편이 이해하기 쉬우므로, 입력 콘덴서부터 설명하겠습니다. 먼저, 입력 콘덴서에 흐르는 전류에 대해, 간단히 설명하겠습니다.


하기 그림은, 동기정류 강압 컨버터의 회로입니다. V_IN 앞쪽의 MOSFET는 High-side 스위치로, 이 High-side 스위치가 ON 되면 전류 파형은 거의 수직으로 Turn-on 하며, 인덕터 전류와 동일한 전류가 흐릅니다. 그리고 High-side 스위치가 OFF, Low-side 스위치가 ON 하는 경우, 이 전류는 급격히 제로가 됩니다. 이 전류 파형의 AC 성분이 입력 콘덴서에 흐릅니다.

이 입력 콘덴서의 전류에 의해 발생되는 전압 (파형)은, 콘덴서의 「정전 용량」 외에 존재하는 기생 성분 「ESR (등가 직렬 저항)」 및 「ESL (등가 직렬 인덕턴스)」의 차이에 따라 다르게 나타납니다.

－간단히 말하자면, 정전 용량 외에, ESR과 ESL에 따른 영향이 있다는 거군요.

그렇습니다. 앞서 말씀드린 3가지 요소, 용량, ESR, ESL 각각의 영향을 파형과 식으로 나타낼 수 있습니다. 하기 그림을 참조하여 주십시오.

상기 그림은, 콘덴서 전류를 구형파로서 각 성분에 따라 어떠한 전압으로 나타나는지에 대해 보여주고 있습니다. 먼저, ESR로 발생되는 전압입니다. 식에서 알 수 있듯이 ESR, 즉 저항×전류로 구형파가 됩니다. 용량 성분에 관해서는 전류와 시간의 적분으로, 삼각파가 됩니다. ESL 성분에 관해서는 미분으로 나타낼 수 있어, 스위치 타이밍에서 순간적으로 펄스 전압이 발생합니다. 이는, 스파이크 등으로 불리우는 고속 펄스성 노이즈라고 할 수 있습니다. 최종적으로 콘덴서 양단의 전압 변동은, 이러한 3가지 성분 전압의 합인 합성파가 됩니다.

－3가지 성분의 합성파는, 스위칭 전원을 평가한 경험이 있는 사람이라면 본 적이 있는 파형이라고 생각합니다만, 단순히 각 성분의 영향을 더한 것이라고 생각해도 무방한가요?

기본적으로 그렇습니다. 사실, 그 부분이 중요합니다. 예를 들어, 구형파 성분이 크면 ESR이 크다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 스파이크가 크면, ESL이 크다는 것을 추측할 수 있습니다. 양쪽 모두 제로인 것이 베스트지만, 현실적으로는 존재하므로, 평가 시 입력 콘덴서의 전류와 전압을 관찰하여 파형에서 무엇이 문제인지 알 수 있습니다.

하기는 시험 회로에 따른 실제 파형입니다. 이 파형으로, 탄탈 콘덴서와 적층 세라믹 콘덴서는 어떤 차이가 있는지 설명하겠습니다.

우선, 시험 회로를 보면 평가하는 콘덴서에 5V / 100kHz로 스위칭하여, 전압과 전류를 모니터하는 것입니다. 콘덴서의 용량은 22µF과 100µF의 2종류입니다. 탄탈 콘덴서와 적층 세라믹 콘덴서는, 부재의 차이로 인해 ESR이 크게 다릅니다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이, 적층 세라믹 콘덴서의 우수한 점 중 하나입니다. ESR의 비교 그래프에서는, 100kHz에서 용량이 약 1/5임에도 불구하고, 적층 세라믹 콘덴서의 ESR이 소수점 2자리수 더 낮은 것을 알 수 있습니다.

먼저 22µF의 탄탈 전압 파형을 봐 주십시오. 빨간 화살표로 표시되어 있는 거의 수직인 전압 변화 부분은, ESR에 의한 구형파 성분입니다. ESR이 크기 때문에 발생하는 리플 전압이 상당히 커져있습니다. 100µF이 되면, ESR에 따른 전압이 1/2 이하로 저하되는 것을 알 수 있습니다. 즉, ESR이 1/2 이하가 된 것을 나타냅니다. ESL에 의한 스파이크가 약간 관찰되지만, 전체 리플 전압을 크게 초과하는 것이 아니며, 특별히 ESL로 인한 문제는 없습니다.

－아래쪽 적층 세라믹 콘덴서의 파형이 먼저 눈에 띄어, 질문드립니다. 파형이 삼각파이며 작은 스파이크밖에 보이지 않는 것은, ESR이 매우 작기 때문에 ESR에 의한 구형파 성분이 거의 없고, ESL도 탄탈 및 기능성 고분자 재료인 콘덴서보다 작기 때문에 스파이크도 작아, 주로 용량 성분에 의한 삼각파가 보이는 것이라고 이해해도 될까요?

맞습니다. 용량을 100µF으로 하면, 삼각파도 더욱 작아지고, 리플 전압이 매우 작은 것을 알 수 있습니다. 여기서 말할 수 있는 것은, ESR과 ESL이 작은 적층 세라믹 콘덴서를 사용함으로써, 리플 전압 및 스파이크를 확실히 작게 할 수 있다는 것입니다. 다른 관점에서는, 100µF의 탄탈과 22µF의 적층 세라믹의 리플 전압은 거의 동일하다는 것을 그래프에서 알 수 있습니다. 즉, 같은 레벨의 입력 리플 전압을 달성할 경우, 적층 세라믹을 사용하면 용량도 작고, 따라서 사이즈도 작아지는 메리트가 있습니다.

하기 그림은, 전원 IC의 평가 보드를 사용하여, 기능성 고분자 재료의 콘덴서와 적층 세라믹 콘덴서의 입력 리플을 비교한 자료이므로, 참조하여 주십시오. 주목할 점은, 기능성 고분자 재료가 82µF, 적층 세라믹은 30µF으로 1/2 이하의 용량인 점, 기능성 고분자 재료는 ESL에 의한 스파이크가 크다는 점, 그리고 사이즈도 마찬가지입니다. 참고로, 빨간 원으로 표시한 입력 콘덴서의 좌측에 위치한 2개의 콘덴서가 출력 콘덴서입니다. 기능성 고분자 콘덴서 1개의 스페이스에, 2개의 적층 세라믹이 탑재되어 있습니다. 이는, 기본적으로 소형으로 한층 더 용량을 작게할 수 있다는 것을 보여줍니다.

－전원 설계 시 전원 IC 대부분의 데이터 시트에 「입력 콘덴서 선택 시 리플 전류 정격에 주의」라고 게재되어 있는데, 콘덴서의 종류 및 특성은 어떤 관계가 있습니까?

「리플 전류 정격에 주의」라는 것은, 우선, 입력 리플 전류를 허용할 수 있는 정격의 콘덴서를 사용한다는 것이지만, 입력 콘덴서에는 출력 콘덴서보다 큰 리플 전류가 흐르므로, 그 점에서는 출력 콘덴서보다 리플 전류 정격에 주의할 필요가 있습니다. 또한, 리플 전류 정격은 자기 발열과 관계가 있습니다. 콘덴서의 ESR은 저항 성분이므로, 리플 전류가 흐르면 발열합니다. 당연한 이야기지만, ESR이 크면 발열도 커집니다. 또한, 입력 콘덴서의 리플 전류가 크기 때문에, 발열도 커진다는 것을 충분히 고려할 필요가 있습니다.

－일반적인 알루미늄 전해 콘덴서는, 온도와 수명에 대한 검토가 중요하다고 하는데, 다른 종류는 어떻습니까?

원칙적으로 동일합니다. 정도에 차이는 있지만, 모든 콘덴서가 고온일수록 수명을 포함한 신뢰성은 저하됩니다. 예를 들어, 전해 콘덴서 및 기능성 고분자 재료의 콘덴서는, 리플 전류 정격의 조건으로서 100kHz 시의 허용 전류를 명시하고 있는 경우가 많아, 그것을 목표로 설계하게 됩니다. 적층 세라믹 콘덴서는 조금 다른 조건으로 표현하는 경우가 있으며, 로옴은 「자기 발열 20℃ 이내」로 명시하고 있습니다. (최근 20℃로 변경되었습니다.)

이 식에서의 계산 값이, 그래프의 허용치 내에 있다면 문제없다고 판단할 수 있습니다.

※본 기사는 2015년 12월 시점의 내용입니다.