스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란? : 콘덴서편마무리

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

－「스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터」라는 테마로, 먼저 콘덴서에 대해 여러가지 설명해 주셨습니다. 또한, 단순히 콘덴서라는 관점이 아니라, 스위칭 전원과 관련지어 설명해 주셨는데요, 이는 스위칭 전원 설계에 종사하는 엔지니어들에게 매우 유용한 정보라고 생각됩니다.

총 7장에 걸쳐 설명해 온 콘덴서에 대해 간단히 정리하고자 합니다.

콘덴서편

• 제1장：대용량화가 진행되는 적층 세라믹 콘덴서
• 제2장：전기적 사양뿐만 아니라, 재료와 케이스를 포함한 특성도 중요
• 제3장：입력 콘덴서 선택 시 리플 전류, ESR, ESL에 주목
• 제4장：출력 리플의 평가에서는 출력 콘덴서의 ESL에 주의!
• 제5장：출력 콘덴서의 ESR은 부하 감소 시 출력 변동에 크게 영향을 미친다
• 제6장：실장에 대한 과제 –크랙-
• 제7장：실장에 대한 과제 –링잉-

처음에 콘덴서 자체에 대한 내용으로서, 적층 세라믹 콘덴서 (MLCC)의 구조 및 기본 특성, 그리고 DC-DC 컨버터에 사용하는 경우의 주의점을 입력과 출력으로 나누어 설명하였습니다. 또한, MLCC의 실장에 관한 과제에 대해서도 2가지 정도 설명하였습니다.

－그럼, 각각의 키 포인트에 대해 정리해 주시겠습니까?

「제1장 : 대용량화가 진행되는 적층 세라믹 콘덴서」에서, 당사에서는 470µF의 MLCC를 공급할 수 있다는 점을 설명하였습니다. MLCC는 비교적 작은 용량의 라인업 밖에 없다고 생각하시는 분들이 계시리라 생각됩니다만, 온 보드의 DC-DC 컨버터 설계에 있어서, 충분히 대응 가능한 용량도 구비되어 있습니다. 또한, 이러한 큰 용량은 기존의 전해 콘덴서 영역에서 경쟁력이 있습니다. 적층 세라믹 콘덴서의 매우 낮은 ESR과 ESL, 높은 용량 / 사이즈 비율, 그리고 장수명이라는 점이 포인트입니다.

－「제2장 : 전기적 사양뿐만 아니라, 재료와 케이스를 포함한 특성도 중요」에서는, MLCC 특성에 대한 과제를 설명해 주셨습니다.

고온 특성과 DC 바이어스 특성은, MLCC를 사용함에 있어서 꼭 알아두어야 할 특성입니다. 또한, 등급 및 케이스 사이즈에 따라 특성이 달라진다는 점, DC-DC 컨버터는 X7R 및 X6S의 등급이 필요하다는 점을 기억해 두시면 좋겠습니다.

「제3장 : 입력 콘덴서 선택 시 리플 전류, ESR, ESL에 주목」에서는 MLCC를 DC-DC 컨버터의 입력 콘덴서로서 사용하는 경우의 주의점에 대해 설명하였습니다. 입력 콘덴서는 큰 전류의 충방전을 담당하므로, ESR과 ESL이라는 기생 성분에 의해 리플 및 스파이크가 발생합니다. 또한, 발열도 주의해야 합니다. ESR과 ESL이 매우 작은 적층 세라믹 콘덴서는 이에 대해 효과적입니다.

－「제4장」과 「제5장」에서는, 출력 콘덴서로 사용 시 주의점에 대해 설명해 주셨습니다.

「제4장 : 출력 리플의 평가에서는 출력 콘덴서의 ESL에 주의」에서는, 출력 리플과 ESR의 관계는 잘 알고 계시리라 생각합니다만, 구형파에 가까운 리플 전압이 출력에 나타나는 경우는 ESL의 영향이라는 것을 기억해 주십시오.

「제5장 : 출력 콘덴서의 ESR은 부하 감소 시 출력 변동에 크게 영향을 미친다」에서는 부하가 급속히 감소한 경우, ESR에 의존하여 출력전압이 상승하는 현상에 대해 설명하였습니다. 이것은, 출력 리플의 평가 시 반드시 확인해야 할 포인트입니다.

－「제6장」과 「제7장」에서는, 실장에 관한 문제에 대해 설명해 주셨습니다.

「크랙」과 「링잉」입니다. 양쪽 모두 대책 완료된 타입의 MLCC가 구비되어 있으며, 메탈 프레임 타입의 효과가 높다는 것을 설명하였습니다. 또한, 대책품 이용 시에는, 높이의 검토 및 기판 레이아웃의 변경이 필요한 경우가 있다는 점도 설명하였습니다.

－전체적으로 DC-DC 컨버터 설계에 있어서 적층 세라믹 콘덴서의 포지션에 대해 정리해 주시겠습니까?

우선, 적층 세라믹 콘덴서의 대용량화가 진행되고 있으므로, 용량면에서 기능성 고분자 재료의 콘덴서를 대체할 수 있는 상황입니다. 또한, ESR이나 ESL과 같은 기생 성분은 기능성 고분자 콘덴서에 비해 상당히 낮습니다. 이는, 단순히 ESR 및 ESL이 낮다는 것이 아니라, 기능성 고분자 콘덴서의 경우는 ESR 및 ESL을 낮게 억제하기 위해 큰 용량을 선택할 수 밖에 없다는 점에 있어서, ESR과 ESL의 관점에서 보면 MLCC는 기능성 고분자 콘덴서의 1/2~2/3의 용량으로 대체 가능하다는 점이 포인트입니다. 즉, 기능성 고분자 콘덴서의 대체에 있어서 동일한 용량은 필요 없다는 것입니다. 따라서, 사이즈에 비해 용량이 크기 때문에 스페이스 절약에도 기여합니다. 또한, 수명이 길어 까다로운 사용 환경에서도 유리합니다.

이러한 메리트가 있는 MLCC지만, 과제도 있습니다. 고온 특성과 C 바이어스 특성, 등급 및 케이스 사이즈에 관해서는, 채용 시 확실하게 검토할 필요성이 있습니다. 실장에 관해서도 크랙이나 링잉에 대한 대책 제품 및 대책 방법이 있다는 것을 이해함으로써 사전 검토가 가능하여, 문제 발생 시 신속하게 대응할 수 있을 것입니다.

※본 기사는 2016년 4월 시점의 내용입니다.