글쓴이 : SOONDORI
어떤 정리 문서에서 발취하고, 쭉~ 이어가는 글.
* 관련 글 : Analog Devices Basic Linear Design의 일부 (4), 아날로그 필터
섹션 10.1: 커패시터
기초
커패시터는 정전기장의 형태로 에너지를 저장하는 수동 전자 부품입니다. 가장 간단한 형태의 커패시터는 유전체라고 하는 절연 물질로 분리된 두 개의 도체판으로 구성됩니다. 정전용량은 판의 표면적에 정비례하고 판 사이의 거리에 반비례합니다. 정전용량은 또한 판을 분리하는 물질의 유전율에 따라 달라집니다.
용량성 리액턴스는 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 XC는 용량성 리액턴스, ω는 각주파수, f는 주파수(헤르츠), C는 정전용량입니다. 용량성 리액턴스는 임피던스의 음의 허수부 성분입니다. 인덕터의 복소 임피던스는 다음과 같습니다.
여기서 j는 허수입니다.
유전체 유형
커패시터에는 다양한 유형이 있으며, 실제 회로 설계를 위해서는 각 유형의 특성을 이해하는 것이 절대적으로 필수적입니다. 그림 10.1의 차트는 커패시터 특성의 간략한 개요를 보여줍니다. 커패시터에 대한 배경 정보와 튜토리얼 정보는 참고문헌 2와 여러 공급업체 카탈로그에서 찾을 수 있습니다.
모든 유전체에서 주요 잠재적 필터 손실 요소는 커패시터의 순 기생 저항인 ESR(등가 직렬 저항)입니다. ESR은 필터 성능에 궁극적인 한계를 제공하며, 일부 유형에서는 주파수와 온도에 따라 변할 수 있으므로 세심한 고려가 필요합니다. 또 다른 커패시터 손실 요소는 ESL(등가 직렬 인덕턴스)입니다. ESL은 커패시터의 순 임피던스가 용량성 특성에서 유도성 특성으로 전환되는 주파수를 결정합니다. 이 주파수는 일부 전해 커패시터에서는 10kHz 정도로 낮지만, 칩 세라믹 커패시터에서는 100MHz 이상으로 높습니다. 무연 패키지를 사용하면 ESR과 ESL이 최소화되며, 여기에서 설명하는 모든 커패시터 유형은 표면 실장 패키지로 제공되며, 이는 고속 사용에 더 적합합니다.
전해 커패시터 제품군은 광범위한 값, 높은 정전용량 대 부피 비율, 그리고 광범위한 작동 전압으로 인해 우수하고 비용 효율적인 저주파 필터 부품을 제공합니다. 여기에는 10V 미만에서 약 500V까지의 작동 전압과 1μF에서 수천 μF(케이스 크기에 비례) 크기의 범용 알루미늄 전해 커패시터가 포함됩니다. 모든 전해 커패시터는 분극되어 있으므로 손상 없이 1V 이상의 역방향 바이어스를 견딜 수 없습니다. 누설 전류가 비교적 높습니다(수십 μA에 이를 수 있지만, 특정 제품군 설계, 전기적 크기, 그리고 인가 전압 대비 정격 전압에 따라 크게 달라집니다).
그러나 이는 기본적인 필터링 애플리케이션의 주요 요인이 아닐 가능성이 높습니다. 전해 커패시터 제품군에는 일반적으로 100V 이하의 전압과 500μF 이하의 정전용량으로 제한되는 탄탈륨 커패시터도 포함됩니다. 주어진 크기에서 탄탈륨 전해 커패시터는 범용 전해 커패시터보다 체적 대비 정전용량 비율이 높으며, 주파수 범위가 더 넓고 ESR이 더 낮습니다. 일반적으로 표준 전해 커패시터보다 가격이 비싸며, 서지 및 리플 전류에 대해 신중하게 적용해야 합니다. 알루미늄 전해 커패시터의 한 종류인 스위칭 커패시터는 최대 수백 kHz의 주파수에서 높은 펄스 전류를 낮은 손실로 처리하도록 설계 및 사양이 지정되었습니다. 이 유형의 커패시터는 고주파 필터링 애플리케이션에서 탄탈륨 커패시터와 직접 경쟁하며, 사용 가능한 값의 범위가 훨씬 더 넓다는 장점이 있습니다.
최근에는 유기 반도체 전해질을 사용하는 고성능 알루미늄 전해 커패시터가 출시되었습니다. 이러한 OS-CON 계열 커패시터는 다른 전해 커패시터보다 ESR이 현저히 낮고 주파수 범위가 더 넓으며, 저온 ESR 저하가 낮다는 추가적인 특징이 있습니다. 필름 커패시터는 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등 매우 다양한 유전체와 값으로 제공됩니다. 이러한 필름은 유전율이 낮기 때문에 체적 효율이 매우 낮으며, 10μF/50V 폴리에스터 커패시터(예: 10μF/50V)는 사실상 손에 꼽을 정도입니다. 금속화(포일과 대조적으로) 전극은 크기를 줄이는 데 도움이 되지만, 필름 유형(폴리에스터, 폴리카보네이트) 중 유전율이 가장 높은 단위조차도 가장 얇은 필름과 가장 낮은 전압 정격(50V)을 사용하더라도 모든 전해 커패시터보다 여전히 큽니다.
필름 유형의 장점은 유전 손실이 낮다는 점인데, 이는 필터링 스위처에 반드시 실용적인 이점이 아닐 수 있습니다. 예를 들어, 필름 커패시터의 ESR은 10mΩ 이하로 낮을 수 있으며, 일반적으로 필름의 동작은 Q 측면에서 매우 높습니다. 실제로 이는 필터에서 스퓨리어스 공진 문제를 야기하여 감쇠 부품이 필요합니다. 일반적으로 권취층(wound layer) 구조를 사용하는 필름 커패시터는 유도성을 가질 수 있으며, 이는 고주파 필터링의 효과를 제한할 수 있습니다. 스위칭 레귤레이터 필터에는 비유도성 필름 커패시터만 사용할 수 있습니다. 비유도성 커패시터 중 하나는 적층형 필름 커패시터로, 커패시터 플레이트를 훨씬 더 큰 권취된 유전체/판 소재 드럼에서 작고 겹치는 선형 시트 단면으로 절단합니다.
이 기술은 기존 리드를 사용하는 플레이트 시트 스타일 커패시터의 낮은 인덕턴스 특성을 제공합니다. 최고의 고주파 효율을 위해서는 최소한의 리드 길이를 사용해야 합니다. 매우 높은 전류의 폴리카보네이트 필름 유형도 사용 가능하며, 이는 스위칭 전원 공급 장치용으로 특별히 설계되었으며, 다양한 저인덕턴스 종단을 통해 ESL을 최소화합니다.
전기적 및 물리적 크기에 따라 필름 커패시터는 10MHz 이상의 주파수에서 유용할 수 있습니다. 매우 높은 주파수에서는 적층형 필름 유형만 고려해야 합니다. 일부 제조업체는 리드가 없는 표면 실장 패키지로 필름 유형을 공급하기도 하는데, 이는 리드 길이 인덕턴스를 제거합니다.
세라믹은 소형 크기와 낮은 손실로 인해 수 MHz 이상에서 커패시터 재료로 자주 사용됩니다. 하지만 세라믹 유전체의 특성은 매우 다양합니다. 일부 유형은 다양한 응용 분야, 특히 전원 공급 장치 디커플링에 다른 유형보다 더 우수합니다. 세라믹 유전체 커패시터는 X7R 및 Z5U의 고 유전율 유전체 공식에서 최대 수 μF의 값으로 제공되며, 최대 200V의 전압 정격을 갖습니다. NP0(COG라고도 함) 유형은 유전율이 낮은 공식을 사용하며, 공칭 TC가 0이고, 전압 계수가 낮습니다(안정성이 낮은 고 유전율 유형과 달리). NP0 유형은 사용 가능한 값이 0.1 μF 이하로 제한되며, 0.01 μF가 더 실용적인 상한값을 나타냅니다.
다층 세라믹(*) “칩 커패시터”는 매우 낮은 인덕턴스 설계로 최적의 RF 바이패스가 가능하기 때문에 10MHz 이상에서 바이패스 및 필터링에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 더 작은 값에서 세라믹 칩 커패시터의 작동 주파수 범위는 1GHz입니다. 고주파 애플리케이션용 이러한 커패시터 및 기타 커패시터의 경우, 관심 있는 최고 주파수보다 높은 자기 공진 주파수를 갖는 값을 선택하여 유용한 값을 확보할 수 있습니다.
* MLCC. Multi-Layer Ceramic Capacitor. 기본적으로 온도 안정성이 확보되기에 FM 튜너 튜블러 커패시터 대체용으로 무난하다.
모든 커패시터는 어느 정도 유한한 ESR을 갖습니다. 경우에 따라 ESR은 필터의 공진 피크를 줄이는 데 실제로 도움이 될 수 있습니다. 이는 “자유로운” 감쇠를 제공함으로써 가능합니다. 예를 들어, 범용 탄탈륨 및 스위칭 유형 전해 커패시터의 경우, 임피던스 대 주파수 플롯에서 넓은 직렬 공진 영역이 나타납니다. 이는 |Z|가 최소값으로 떨어지는 지점에서 발생하며, 이는 명목상 해당 주파수에서 커패시터의 ESR과 같습니다. 아래 예에서, 이 낮은 Q 공진은 실제로 여러 옥타브에 달하는 매우 넓은 주파수 범위를 포함하는 것으로 나타났습니다.
필름 및 세라믹 커패시터의 매우 높은 Q 날카로운 공진과 대조적으로, 이 낮은 Q 거동은 공진 피크를 제어하는 데 유용할 수 있습니다. 대부분의 전해 커패시터에서 ESR은 저온에서 눈에 띄게 저하되며, -55°C에서는 실온 값에 비해 최대 4~6배까지 저하됩니다. 높은 수준의 ESR이 중요한 회로의 경우, 이는 문제를 야기할 수 있습니다. 일부 특정 전해 유형은 이 문제를 해결합니다. 예를 들어 HFQ 스위칭 유형에서 100kHz에서 -10°C ESR은 실온에서의 2배 이하입니다. OSCON 전해 유형은 온도에 따른 ESR 특성이 비교적 평탄합니다.
그림 10.2는 공칭 100μF/20V 샘플을 사용하여 여러 전해 커패시터 유형의 고주파 임피던스 특성을 보여줍니다.
(▲ 파나소닉 왈, “OS-CON is an aluminum solid capacitor with high conductive polymer”. 이 폴리머 커패시터를 빈티지 오디오에서 접할 수는 없음. 어찌 보면 딴 나라 이야기?)
이 플롯에서는 20Hz~200kHz 범위에서 주파수에 따른 임피던스 |Z|가 고해상도 4단자 구성을 사용하여 표시됩니다. 이 디스플레이에는 100μF/25V 범용 알루미늄 장치, 120μF/25V HFQ 장치, 100μF/20V 탄탈륨 비드 유형 및 100μF/20V OS-CON 장치의 성능 샘플이 표시됩니다(가장 낮은 곡선 @ 오른쪽). HFQ와 탄탈륨 샘플은 100kHz 임피던스에서 비슷한 반면, 범용 유닛은 약 4배 더 나쁩니다. OS-CON 유닛은 탄탈륨 및 스위칭 전해 타입보다 100kHz 임피던스에서 거의 한 자릿수만큼 낮습니다.
위에서 언급했듯이 모든 실제 커패시터는 성능을 제한하는 기생 요소를 가지고 있습니다. 그림 10.2의 임피던스 곡선이 이러한 방식으로 나타나는 이유를 이해하기 위해, 100μF/20V 탄탈륨 커패시터에 대한 (간소화된) 모델이 그림 10.3에 나와 있습니다. 이 커패시터를 나타내는 전기 회로망이 표시되어 있으며, ESR 및 ESL 구성 요소를 간단한 R 및 L 요소와 1MΩ 션트 저항으로 모델링합니다. 이 간단한 모델은 실제 커패시터에서 발생하는 온도 및 유전 흡수 효과를 무시하지만, 이 논의에는 충분합니다.
10Hz에서 100MHz까지 일정하게 흐르는 교류 전류로 구동할 때, 이 커패시터 모델의 전압은 순 임피던스에 비례하며, 이는 그림 10.4에 나와 있습니다.
저주파수에서 순 임피던스는 100Hz 임피던스 15.9Ω에서 알 수 있듯이 거의 순수 용량성입니다. 이 “욕조” 곡선의 하단에서 순 임피던스는 ESR에 의해 결정되며, 125kHz에서 0.12Ω로 나타납니다. 약 1MHz 이상에서는 이 커패시터가 유도성을 띠게 되며, 임피던스는 ESL의 영향에 의해 지배됩니다. 이러한 커패시터 특성의 특정 조합은 그림 10.4에서 사용된 탄탈륨 샘플에 맞게 의도적으로 선택되었지만, 모든 전해 커패시터는 일반적으로 유사한 형태의 임피던스 곡선을 나타냅니다. 최소 임피던스는 ESR에 따라 달라지고, 유도 영역은 ESL에 따라 달라집니다. (ESL은 패키지 스타일에 크게 영향을 받습니다.) 그림 10.4의 시뮬레이션 곡선은 그림 10.2의 100μF/20V 탄탈륨 커패시터 곡선을 확장한 것으로 볼 수 있습니다.
* 관련 글 : Analog Devices Basic Linear Design의 일부 (6), TBA
