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엔지니어 인터뷰

스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란?

출력 리플의 평가에서는
출력 콘덴서의 ESL에 주의!

콘덴서편 –제4장-

주목 키워드
  • 적층 세라믹 콘덴서
  • 기능성 고분자 콘덴서
  • 출력 콘덴서
  • 리플 전압
  • ESR
  • ESL

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

-그럼, 이어서 출력 콘덴서로서 사용하는 경우의 특성 및 성질의 영향에 대해 설명해 주십시오.

스위칭 전원 회로에서는, 앞서 설명한 입력 콘덴서와 마찬가지로 출력 콘덴서도 필수 부품이라는 것은 당연한 이야기입니다. 입력 콘덴서와 동일하게, 정전 용량 외에 ESR 및 ESL이라는 기생 성분의 영향을 고려할 필요가 있습니다. 단, 인가된 전류 파형 및 부하가 있다는 점 등 입력과는 다른 점이 있으므로, 발생하는 전압 변동 및 현상은 달라집니다. 어쨌든, 출력에 발생하는 전압 변동을 얼마나 작게 억제할 수 있는지가 과제입니다. 구체적으로는, 출력 리플 전압과 부하 과도 응답에 주목해야 합니다.

-먼저, 출력 리플 전압에 대하여 설명 부탁드립니다. 입력 콘덴서에서 설명해 주신 것처럼, 출력 콘덴서에 흐르는 전류부터 설명해 주시겠습니까?

우선, 강압 컨버터를 예로 들어보겠습니다. 전원 회로도와 리플의 파형 성분을 나타낸 하기 그림을 봐주십시오. 출력단 트랜지스터의 스위칭에 의해, 삼각파 인덕터 전류가 발생하여, DC로 표시한 인덕터의 평균 전류는 출력으로, 그 삼각파는 AC로서 출력 콘덴서로 흐릅니다. 하기의 파형도는 삼각파의 콘덴서 전류가 콘덴서의 기생 성분인 ESL과 ESR, 그리고 용량 성분에 따라 어떠한 전압이 되는지를 나타낸 것입니다.

삼각파의 콘덴서 전류는, ESL에 의해 구형파의 전압으로 나타납니다. ESR에 의해서는, 옴 (Ω)의 법칙에 따라 그대로 삼각파의 전압이 되고 용량에 따라서는 시정수를 지닙니다. 최종적으로는 이러한 3가지 성분의 합성파가 됩니다. 간단히 말씀드리면, 급격한 Turn-on은 ESL에 의한 것, 기울기를 지닌 변동은 ESR, 그리고 각각이 용량에 따라 2차 곡선으로 변화합니다.

하기의 파형도는, 실제 리플 전압 파형입니다. 파형의 형태에 따라, 어떤 부분이 무엇에 의존하고 있는지 알 수 있습니다. 이는, 이러한 리플을 개선하기 위해 필요한 사항을 파악하기 위한 노하우이기도 하므로 기억해 두는 것이 좋습니다.

위쪽 파형은 인덕터 전류이며, 아래쪽 파형은 출력에 발생한 리플 전압입니다. 급격한 Turn-on 은 ESL에 의해 발생한 Vesl입니다. 그 후에 증가한 부분이 ESR에 의한 Vesr입니다. 이 합계가 리플 전압의 피크 Vp-p입니다. 이때의 출력 콘덴서는 기능성 고분자 타입으로, 용량은 330µF입니다. ESR은 22mΩ, ESL은 2nH로, 모두 스위칭 주파수가 500kHz일 때의 값입니다. 또한, 표에 실제 전압 변동치를 표기하였습니다. 빨간색으로 표시한 바와 같이, Vesl이 Vesr의 2배에 가깝고, 전체 리플 전압 Vp-p의 2/3를 차지하고 있습니다. 이러한 수치는 주파수 등의 조건에 따라 변하므로, 하나의 예로서 기억해 주십시오.

-ESL의 영향이 큰가요? 출력전압의 리플은 ESR에 의존하므로, ESR이 낮은 출력 콘덴서를 사용한다는 이야기를 자주 듣습니다만.

그것은, 올바른 이해입니다. 이 예에서도 ESR에 대한 Vesr가 발생했습니다. 단, 조건에 따라서는 Vesl 쪽이 리플 전압에 포함된 비율이 커집니다.

-ESR과 ESL의 영향은 잘 알겠습니다. 그럼, 용량은 어느 정도 영향이 있습니까?

하기는, 용량과 리플 전압의 관계를 나타낸 데이터입니다. 콘덴서는 기능성 고분자 타입으로, 용량은 330µF, 220µF, 150µF입니다. 파형도와 표에 따르면, Vesl에는 거의 변화가 없습니다. 이것은, Vesl은 용량에 거의 의존하지 않음을 나타냅니다.

-그렇다면, 기본적으로 ESR과 ESL이 작은 콘덴서를 사용한다는 것이네요.

그렇습니다. 적층 세라믹 콘덴서의 특징은 이미 설명드렸습니다만, Low ESR, Low ESL인 MLCC-적층 세라믹 콘덴서는, 리플 전압 저감에 매우 효과적입니다. 이것이 최근, 적층 세라믹 콘덴서를 메인 입출력 콘덴서로서 이용하는 경우가 늘어나고 있는 이유입니다. 하기의 파형도는, 기능성 고분자 타입과 적층 세라믹 콘덴서의 리플 전압 비교와, 임피던스 특성과 인덕터 전류의 스펙트럼을 나타낸 그래프입니다.

리플 전압 파형에서는, 핑크색으로 표시된 적층 세라믹 콘덴서의 Vesl이 확연히 낮고, Vesr에 대해서도 경사가 완만한 것을 알 수 있습니다. 물론, 임피던스 특성 그래프와 표의 수치에서 알 수 있듯이 ESR과 ESL이 모두 작습니다. 임피던스 특성 그래프에서는, 얇은 선이 ESR을 나타냅니다.

이 예에서는 스위칭 주파수가 500kHz이므로, 인덕터 전류의 스펙트럼에는 500kHz의 기본파에서부터 고조파가 존재하는 것을 알 수 있습니다. 그 영역은 공진점보다 높은 주파수이므로, ESL의 영향이 크다는 점도 이해할 수 있을 것입니다.

하기는, 용량과의 관계를 맵핑으로 나타낸 것입니다.

상기 맵핑에서 알 수 있는 것은, MLCC-적층 세라믹 콘덴서가 리플 전압 Vp-p의 저감에 있어서 매우 유리한 점, 용량과 Vesl의 의존성이 거의 없다는 점입니다. 참고로, 기능성 고분자 타입은 대표적인 3가지 메이커 비교 시, 용량에 따른 Vesl의 차이는 거의 없지만, 메이커에 따라 ESL에 차이가 있다는 것을 알 수 있습니다.

-이 비교를 보고 떠올랐는데, 만일 기능성 고분자 콘덴서를 적층 세라믹 콘덴서로 대체한다고 가정했을 때, 동일 용량일 필요는 없다는 것입니까?

그것은 매우 중요한 포인트입니다. 리플 전압의 관점에서, 적층 세라믹 콘덴서는 ESR, ESL이 모두 작으므로, 기존의 기능성 고분자 타입에 비해 더욱 낮은 용량으로 대체할 수 있습니다. 용량은, 사이즈뿐만 아니라, 비용에도 영향을 미칩니다. 조건에 따라서는, 적층 세라믹 콘덴서를 선택함으로써, 리플 저감과 동시에 소형화와 비용 삭감이 가능합니다.

※본 기사는 2015년 12월 시점의 내용입니다.

스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란?

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