스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란? : 콘덴서편출력 콘덴서의 ESR은 부하 감소 시 출력 변동에 크게 영향을 미친다

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

－출력 리플 외에, 출력 콘덴서에서 주의해야 할 점이 있습니까?

출력 콘덴서는, 출력 리플 외에 출력 부하전류의 변동에 있어서 안정을 유지하는 역할을 합니다. 예를 들어, CPU가 sleep 상태에서 가동 상태가 되면 급격히 큰 부하전류가 흘러, 순간적으로 출력전압이 저하되는 현상이 발생합니다.

－부하 과도 응답 특성은, 전원의 중요 특성 중 하나군요.

부하 변동에 대한 출력 변동은, 앞에서 예로 들었던 「급증」 시의 변동과, 그 반대인 「급감」 시에 발생합니다. CPU를 예로 들면, 가동 상태에서 sleep 상태로 바뀌는 경우입니다. 이때, 출력전압은 순간적으로 상승합니다. 계속해서 「부하 급증 시의 출력전압 저하 레벨은 허용치 내에 포함되지만, 부하 급감 시 출력전압의 상승이 생각보다 크다」 는 사례에 대해 말씀드리겠습니다.

하기는 파형 및 상태를 나타낸 그림입니다. 위쪽의 파형도는, 동기정류 강압 컨버터의 출력전압 (적색)과 인덕터 전류 (남색), 그리고 부하전류 (분홍색)를 나타낸 것입니다.

우선, 부하전류를 보면, 청색 점선 ① 조금 앞쪽에서 감소가 시작되어, 최종적으로 거의 “0”이 되었습니다. 예를 들어, CPU나 어떤 것이 셧다운됨에 따라, 3A 정도의 부하전류가 거의 흐르지 않게 되는 이미지를 떠올리면 알기 쉬울 것입니다.

다음으로 인덕터 전류입니다. 청색 점선 ① 직전의 스위칭 사이클의 High-side 스위치 OFF (Low-side ON) 기간 중에 부하전류가 감소하기 시작하였으므로, OFF 시간을 조금 연장한 듯합니다만, 청색 점선 ①의 타이밍에서 다음 주기 (High-side ON / Low-side OFF)가 시작됩니다. 그 때문에, 부하전류가 불필요함에도 불구하고 인덕터 전류는 증가합니다. 이후, 녹색 점선 ②의 타이밍에서 OFF 되고, 그대로 OFF 상태가 지속되어 인덕터 전류는 “0”에 근접할 때까지 감소하지만, 중간 지점까지는 부하전류보다 인덕터 전류가 많은 상태가 지속된다는 점을 기억해 주십시오.

그럼, 부하전류와 인덕터 전류 (스위칭)의 변화를 바탕으로, 출력전압의 관계를 살펴보겠습니다. 부하전류가 감소하기 시작하고서 바로는 출력이 필요한 만큼 내려가지 않습니다. 따라서, High-side 스위치를 OFF 상태로 유지하고자 해도, 전원 IC의 제어 관계로 인해 High-side 스위치가 ON 동작하게 되어, 출력전압은 급격히 상승합니다 (① 청색과 ② 녹색 점선 기간). 이때, ON 시간은 조금 짧아지지만, 부하전류는 점점 감소하므로 이 타이밍에서의 전력 공급은, 출력 콘덴서에 많은 전류를 흘리게 됩니다.

이후, High-side 스위치는 OFF되어 인덕터 전류는 내려가지만, 인덕터 전류가 부하전류를 상회하여 그 차분의 전류가 출력 콘덴서로 흐르기 때문에 출력전압은 계속해서 상승합니다. 아래쪽의 파형도는 콘덴서 전류를 나타냅니다.

적색 점선 ③ 주변에서 출력전압은 강하되지만, 이는 시간의 경과에 따라 인덕터 전류와 부하전류의 차분, 즉 콘덴서 전류가 감소하기 때문입니다. 아래쪽의 파형도에서 인덕터 전류와 부하전류의 차분, 그리고 콘덴서 전류의 변동을 비교하여 주십시오. 부하전류 파형의 반전이 콘덴서 전류 파형이며, 인덕터 전류와의 교차점에서는 콘덴서 전류는 “0”, 이후 역전 구간은 “마이너스”, 그 후 거의 “0”으로 돌아온다는 것을 알 수 있습니다.

출력전압의 변동은 V_c＋V_esr로, 모두 콘덴서 전류와 관계가 있습니다. 특히 V_esr은, ESR×콘덴서 전류로 발생하므로, ESR이 크면 출력 변동도 커지는 것은 당연한 것입니다.

－ESL은 관계가 없나요?

본 예의 조건에서는 특별히 고려할 필요가 없지만, 부하전류의 감소가 더 급격한 경우에는 ESL의 영향을 받습니다.

－상기 예에서는, 출력 콘덴서에 기능성 고분자 타입을 사용하는데, 콘덴서의 종류, 특히 적층 세라믹을 사용하면 어떤 차이가 있습니까?

하기의 다양한 출력 콘덴서를 사용한 경우의 데이터를 봐주십시오. 기능성 고분자 타입은 대표적인 3종류로, 적층 세라믹－MLCC도 포함하여 용량 및 사이즈가 다른 16가지 종류로 실험하였습니다. 상측의 파형도는 부하가 급감할 때 출력전압이 크게 변동함을 나타냅니다. 하측의 파형도는 변동 부분을 확대한 것으로, 콘덴서의 종류와 용량에 따라 크게 다른 것을 알 수 있습니다.

－보시기 편하도록, 맵으로 나타내 보았습니다.

앞서 설명해드린 바와 같이, 상기 예에서 출력전압 변동의 주요 원인은 V_c와 V_esr이므로, 콘덴서 타입에 관계없이 「용량이 크다＝ESR이 작은 콘덴서」가, 이러한 부하 급감 시의 출력전압 변동을 저감하는 포인트가 됩니다.

－MLCC가 유리한 점은 무엇인가요?

리플과 같이, 적층 세라믹 콘덴서－MLCC는 ESR과 ESL이 낮기 때문에, 기생 성분의 관점에서 보면, 용량은 기능성 고분자 타입보다 작아도 대응이 가능하여, 소형화에 유리합니다. 용량은, 기능성 고분자 타입의 2/3 정도로 대응 가능합니다.

－그렇군요. 그 외 주의점이 있습니까?

여기서 다룬 예에서, 부하 급감 시의 전압 상승이 큰 첫 번째 요인은, 사용한 전원 IC의 제어, 즉 부하 급감 시의 응답 특성에 있습니다. 반대로 말하면, 부하의 감소에 즉각 반응하는 타입의 전원 IC를 사용함으로써, 앞서 말씀드린 현상은 허용 가능한 레벨이므로 문제가 되지 않을 수도 있습니다.

말씀드리고 싶은 것은, 만일 유사한 현상이 발생하면, 출력 콘덴서를 ESR이 작은 것으로 사용함으로써 대처가 가능하다는 것입니다. 또한, 리플을 포함하여 출력 콘덴서는 ESR과 ESL이라는 기생 성분이 적은 편이 유리하지만, 전원 IC에 따라서는 출력 콘덴서의 ESR이 작은 것이 고장의 원인이 되는 경우도 있으므로, 충분한 검토가 필요합니다.

※본 기사는 2016년 1월 시점의 내용입니다.