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엔지니어 인터뷰

스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란?

실장에 대한 과제 -링잉-

콘덴서편 –제7장-

주목 키워드
  • 적층 세라믹
  • MLCC
  • 링잉
  • 압전성
  • 압전 효과
  • 역압전성
  • 역압전 효과
  • 양면 실장
  • LW 역전
  • MLCC 저왜곡 재료
  • 메탈 프레임

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

-그럼, 실장에 대한 또다른 과제인 「링잉 (ringing)」에 대해 설명해 주십시오. 링잉은 기판에서 “징-“ 또는 “끼익”하는 소리가 들리는 현상이라고 생각합니다. 예를 들어, 저렴한 휴대기기용 충전기 등에서는 상당히 소리가 나는 것도 있다고 하는데요.

그렇습니다. 기기 및 환경에 따라 소리가 나도 알아채지 못하거나, 신경이 쓰이지 않을 정도의 작은 소리인 경우도 있습니다. 하지만 말씀하신 것처럼 휴대기기의 충전기 등일 경우에는, 취침 시 조용한 환경에서는 신경이 쓰일 것입니다. 또한, 오디오 기기 등은 재생되는 소리 외에 다른 소리가 들리는 것이 큰 문제가 됩니다.

-우선, 링잉의 메커니즘에 대해 설명해 주시겠습니까?

고유전율계인 세라믹 콘덴서는 유전체에 전압이 인가되면 유전체가 변형되는 (왜곡) 특성이 있습니다. 이는, 압전 효과의 반대 현상으로 역압전 효과라고도 합니다. 또한, 이러한 특성을 지니는 것을, 「압전성 또는 역압전성이 있다」고 표현하기도 합니다. 인가되는 것이 DC 전압이면, 그에 따른 왜곡이 발생할 뿐이지만, 진폭이 있는 전압인 경우에는 MLCC가 주기적으로 변형되어 기판을 진동시킵니다. 그 주파수가 가청대역인 20Hz~20kHz일 때, 소리로서 들리는 것입니다.

상기 그림은, 지금까지 말씀드린 내용을 조금 더 구체적으로 나타낸 것입니다. 그래프는 인가 전압과 MLCC 변형의 관계를 나타낸 것입니다. 스위칭 전원으로 생각해 보면, 출력전압은 DC지만 스위칭 주파수에 기인한 리플 전압을 포함하고 있습니다. 출력 리플이 출력 콘덴서로서 사용된 MLCC의 진동을 유발하는 경우가 있습니다.

기판에는 MLCC 양단에 있는 전극이 soldering되어 있어, 전극 간 가로 방향의 변형 (그림의 청색 양쪽 화살표)이 기판을 면 방향 (녹색 양쪽 화살표)으로 변형시켜, 반복됨으로써 진동이 발생하게 됩니다. 이러한 진동이 기판을 매개로 증폭되어, 들릴 정도의 음압이 되는 것이 링잉입니다. 물론, 진동의 주파수가 가청대역인 것이 조건입니다.

-링잉은 고전적인 현상이라고 생각합니다만, 어떠한 대책이 있습니까?

링잉은 유전체 재료 및 콘덴서의 형상 이외에, 기판의 크기나 실장 상태 등에도 관련이 있으므로, 실제로는 콘덴서 자체의 대책과 레이아웃을 모두 검토할 필요가 있습니다. 양쪽 모두 링잉을 완벽히 억제하기에는 어려움이 있으므로, 허용 범위 안에서 개선하는 것이 중요합니다. 여기에서는 4가지 대책에 대해 소개하겠습니다.

①재료를 통한 개선
역압전 효과가 낮은, 즉 변형이 적은 유전체 재료를 사용한 MLCC가 개발되었습니다. 기본적으로는 우측의 그래프와 같이 저유전율 재료가 왜곡이 적습니다. 예를 들어, LD (Low Distortion) 시리즈와 같이 링잉 경감이 가능한 제품군이 있습니다.

②보드 설계를 통한 개선
이것은 기판 측에서의 개선 방법입니다. 예를 들어, 동일한 전원 라인에 대해 그림과 같이 동일한 MLCC를 양면에 실장합니다. 2개의 MLCC 진동이 역상 (逆相)하여, 서로 상쇄됨에 따라 진동이 완화됩니다.

③구조를 통한 개선 : LW (길이-폭) 역전 구조
일반적으로 MLCC는, 전극 간의 길이가 폭보다 깁니다. 전극 간의 길이를 짧게 함으로써 기판 진동의 원인이 되는 전극 간의 변형을 경감할 수 있습니다. 우측 그림과 같이 폭이 전극 사이보다 넓은 타입의 MLCC가 구비되어 있습니다. 그림의 「RGC」가 역전 구조 타입입니다.

④구조를 통한 개선 : 메탈 프레임 타입
벤딩 응력에 대한 대책으로 설명했던 메탈 프레임 타입의 MLCC는, 링잉의 개선에도 기여합니다. 구조를 통해 쉽게 알 수 있듯이, 메탈 프레임이 MLCC의 진동을 흡수합니다.

-각 대책의 효과는 어느 정도입니까?

4가지 대책 중에서, 메탈 프레임이 가장 높은 효과를 기대할 수 있습니다. 이는, 하기 시험 데이터에 일목요연하게 잘 나타나 있습니다. 하기 그래프를 통해 표준 제품에 비해 메탈 프레임 타입의 최대 음압이 30dB 정도 개선된 것을 알 수 있습니다.


-링잉 대책에서 주의점은 무엇인가요?

링잉은, 앞에서 말씀드린 바와 같이 MLCC의 재료 및 형상 이외에 기판이나 실장에도 연관이 있으므로, 상황에 따라서는 다양한 각도에서의 검토가 필요합니다. 개선 효과의 크고 작음뿐만 아니라, 링잉을 개선하기 위해 기판 레이아웃 및 부품의 변경이 필요하게 될 수도 있습니다. 현실적으로는 이러한 것이 제한 사항이 되어, 트레이드 오프에 대한 고려가 필요한 경우가 있습니다.

예를 들어, 메탈 프레임 타입은 개선 효과가 높지만, 부품의 두께가 있기 때문에 높이에 제한이 있는 경우에는 사용하지 못하게 될 가능성이 있습니다. 반대로, 효과가 확인되었고 높이에 관한 문제도 해결할 수 있으므로 LW 역전 타입을 채용한다면, 배선 패턴 및 레이아웃을 변경해야 할 필요가 있습니다. 하기 표에 이러한 제한 사항과 대책의 관계를 정리하였으므로 참고하여 주십시오.

콘덴서 메이커는 이러한 사항을 포함한 종합적인 링잉 대책의 서포트가 가능하므로, 해당 메이커에 문의해 보는 것도 좋은 방법이라고 생각합니다.

-그런데, 링잉이 적층 세라믹 콘덴서 자체의 신뢰성 등에 악영향을 끼치지는 않나요? 만약, 링잉이 문제가 되지 않으면 소리가 나는 채로 계속 사용해도 괜찮습니까?

MLCC 자체에는 영향이 없습니다. MLCC 자체의 진동은 피코미터 ~ 나노미터로 매우 작습니다. 그에 반해, 압전 효과를 이용한 압전 부저 (buzzer) 및 세라믹 진동자 등은, 몇십배의 진동을 적극적으로 이용하는 것으로, 충분한 신뢰성을 갖추고 있습니다. 이러한 점으로 미루어 보아 MLCC의 역압전 효과가 특별히 신뢰성에 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있습니다.

※본 기사는 2016년 3월 시점의 내용입니다.

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