전원 공급 필터링을 위한 최적의 커패시터 선택

모든 규제 전원 공급 장치는 조정기 섹션의 입력과 출력에서 낮은 노이즈를 가져야 합니다. 노이즈를 낮추는 것은 공급 장치에 적합한 필터 캐패시터를 선택하는 데 달려 있습니다. 전류에 따라 이러한 캐패시터는 상당히 클 수 있거나, 병렬로 많은 수의 캐패시터를 배치해야 할 수도 있습니다. 적절한 캐패시터(또는 캐패시터 은행)를 사용하면 정류기에서 발생하는 전압 리플을 감쇠시키면서 긴 수명을 보장할 수 있습니다.

“필터 캐패시터”에 관련된 대부분의 주제는 단순히 정류기의 출력 캐패시터를 언급하지만, 전압 조정기의 출력에 있는 캐패시터를 의미할 수도 있습니다. 필터 캐패시터는 전원 공급 장치의 입력에 있는 EMI 필터의 구성 요소를 의미할 수도 있습니다. 다행히도 전원 공급 필터링을 위한 최적의 캐패시터를 선택할 때 동일한 원칙이 적용됩니다. 전원 공급 장치 캐패시터를 선택하는 방법을 보려면 저희 가이드를 확인하세요.

전원 공급 필터링을 위한 최적의 캐패시터는 무엇인가요?

DigiKey로 가서 필터링 캐패시터 페이지를 불러오고 싶은 만큼, 이러한 경로는 존재하지 않습니다. 사실, 다양한 캐패시터는 다른 목적에 유용하며, 여러 캐패시터의 사양이 적절한 응용 프로그램을 결정합니다. 분명히, 리플 억제를 제공하기 위해 캐패시터를 적절한 값으로 크기를 조정해야 하지만, 단순히 용량을 계산하는 것을 넘어섭니다.

전원 공급 필터링을 위한 최적의 캐패시터를 선택하기 시작하려면, 캐패시터 데이터시트로 들어가 몇 가지 사양을 살펴봐야 합니다. 중요한 사양은 다음과 같습니다:

• 커패시터 재질: 커패시터는 세라믹, 전해, 탄탈럼, 폴리에스터 또는 기타 재질일 수 있습니다. 이는 유용한 용량 범위를 결정하며, 전압 등급 및 기생 요소와 같은 다른 사양을 결정합니다.

• 작동 전압 등급: 이는 커패시터에 적용할 수 있는 최대 DC 또는 AC RMS 전압을 기본적으로 알려줍니다. 지정된 작동 전압은 특정 운영 온도 범위 내에서 유효하며, 이는 그래프에 표시될 수 있습니다.

• 기생 요소 또는 자기 공진 주파수: 이러한 사양은 제조업체에 따라 다르게 명시됩니다. 제조업체는 ESR 및 ESL 값만을 명시하거나, ESL 및 Q-팩터 값을 명시할 수 있으며, 이를 사용하여 자기 공진 주파수 및 대역폭을 계산할 수 있습니다. 또는, 임피던스 스펙트럼이 그래프로 표시되며, 이를 사용하여 ESR 및 ESL 값을 계산할 수 있습니다.

• 온도 계수: 대부분의 설계자들은 이에 대해 걱정하지 않지만, 실제 커패시터의 용량이 온도와 함께 변하기 때문에 중요해집니다. 따라서, 제품이 넓은 온도 범위에서 작동할 경우 가장 작은 온도 계수를 가진 커패시터를 선택해야 합니다.

• 분극: DC 회로용 필터 커패시터는 커패시터를 통해 전기장이 가리켜야 하는 방향을 명시하는 특정 분극을 가지고 있습니다. 분극된 커패시터에 과도하게 큰 AC 전압이 걸리면 부품이 조기에 파괴될 수 있습니다.

이 사양 범위는 작업할 관련 필터링 애플리케이션을 모두 커버합니다. 정류기 출력 커패시터, EMI 필터 커패시터 또는 전력 조절기 출력 커패시터를 선택하는 요령은 필요한 용량 값과 다른 중요한 사양을 균형있게 맞추는 것입니다. 블록 다이어그램은 설계에서 다양한 유형의 커패시터를 선택해야 할 몇 가지 위치를 보여줍니다.

필터링 커패시터를 놓을 세 가지 전형적인 위치와 각 경우의 중요한 매개변수가 위에 표시되어 있습니다.

정류기 출력 필터링

여기서 고려해야 할 중요한 점은 용량 값과 ESR 값입니다. 이 값들은 두 가지 이유로 중요합니다. 첫째, 커패시터는 선진동의 반주기 동안 리플 전압이 최소화되도록 크기가 조정되어야 합니다. 필요한 커패시터 크기를 계산하려면 아래에 표시된 공식을 사용하기만 하면 됩니다:

특정 값의 피크-피크 리플을 유지하기 위해 필요한 커패시터 값.

여기서 현재 용어는 정류 중에 정류기 전류와 전압이 떨어질 때 커패시터가 공급해야 하는 전류를 말합니다. 주어진 전류에 대해, 원하는 전압 리플(크기 변화로)을 선택하여 필요한 커패시터 값을 계산하면 됩니다. 이론적으로, 무한한 용량은 리플을 제로로 만듭니다.

ESR 값은 컴포넌트가 충전 및 방전될 때 커패시터 내의 도체가 얼마나 빨리 가열되는지 결정하는 기생적인 값입니다. ESR은 또한 커패시터가 방전될 수 있는 최소 시간을 정의합니다. 그리드 전력에 연결된 시스템의 경우, 50Hz 또는 60Hz에서 작업하므로 방전 시간에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 필터 커패시터는 낮은 ESR 값을 가지면서도 높은 용량을 제공해야 하며, 세라믹은 ESR이 매우 낮은 경향이 있기 때문에 여기에 좋은 선택입니다.

EMI 필터링

EMI 필터를 설계할 때 중요한 점은 회로의 토폴로지와 정확한 용량 값입니다. 자기 공진도 여기서 중요한데, 시스템이 커패시터의 자기 공진 주파수를 넘어서 작동하면 커패시터가 다른 값처럼 "행동"할 것입니다. 또한, 다른 반응성 구성 요소(예: 인덕터, 초크, 페라이트 등)가 커패시터와 상호 작용하여 복잡한 결합 진동을 생성할 것입니다. 필터링에 필요한 올바른 용량을 결정하기 위해 시뮬레이션으로 설계를 검증하는 것이 중요합니다.

전원 공급선에서 EMI 필터링의 주요 목표는 공통 모드 및 차동 모드 노이즈 취소입니다. 저는 항상 AC 라인에 연결된 EMI 필터에 비극성 커패시터를 사용하며 다른 설계자들도 같이 하기를 권장합니다. 모든 커패시터의 자기 공진 주파수가 관심 있는 노이즈 대역폭에 대해 충분히 크다면, 그렇게 걱정할 필요가 없습니다.

레귤레이터 출력

레귤레이터(예: 스위칭 레귤레이터 또는 LDO)의 출력에 배치될 때, 커패시터는 이중 역할을 합니다. 첫 번째 역할은 스위칭 중에 충전 및 방전되어 DC 출력을 안정적으로 유지하는 것입니다. 두 번째 역할은 고주파수 전도성 EMI를 그라운드로 쇄교하는 것입니다. 자기 공진 주파수가 충분히 높다면 극성이 있는 커패시터나 없는 커패시터 모두 이용할 수 있습니다.

스위칭 레귤레이터의 경우, 레귤레이터의 PWM 신호는 수백 MHz까지 확장되는 고조파를 생성할 것이며, 이는 출력에서 방사된 EMI와 전도된 EMI로 나타날 것입니다. 이러한 EMI는 회로에 소량의 감쇠를 추가함으로써 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 레귤레이터의 스위칭 MOSFET 출력에 페라이트를 사용하는 것과 같습니다. 여기서의 도전은 충분히 높은 자기 공진 주파수를 가진 커패시터를 사용하는 것이며, 현재가 충분히 낮다면 더 높은 ESR을 가진 것을 사용할 수 있습니다. 출력 전류가 크다면, 자기 공진에 더 많은 감쇠를 유도하기 위해 페라이트나 인덕터를 사용하세요.

감쇠가 자기 공진에 미치는 영향. 왼쪽에서, 시스템에 감쇠를 증가시키면 공진에서 커패시터의 임피던스가 증가합니다. 스위칭 컨버터에서 방사된 EMI에 미치는 영향(출력 커패시터 자기 공진 = 146 MHz)이 오른쪽에 나타나 있습니다.

전원 공급 설계 외에 커패시터의 또 다른 중요한 용도는 고주파/고속 회로에서의 임피던스 매칭 네트워크입니다. 그러나 커패시터와 같은 반응성 구성 요소를 임피던스 매칭에 사용하는 것은 고속 드라이버/수신기 쌍보다는 안테나에서 더 일반적입니다. 커패시터 사용의 이러한 측면은 조금 더 전문적이며, 나중에 이에 대해 다룰 예정입니다.

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