완벽한 저 ESL 캐패시터 가이드

저항기, 캐패시터, 인덕터... 이들은 기본적인 구성 요소이며 전자 공학 수업에서는 이러한 구성 요소들이 교과서에 설명된 대로 정확히 작동한다고 항상 암시합니다. 불행히도, 그것은 단순히 사실이 아닙니다; 고주파에서는 캐패시터가 결국 인덕터처럼 행동하게 되어 원치 않는 동작과 회로의 잘못된 임피던스를 초래합니다.

원인은 등가 직렬 인덕턴스 또는 ESL입니다. 모든 캐패시터에는 일정량의 기생 ESL이 있으며, 충분히 높은 주파수에서 측정 가능해집니다. 그리고 ESL 값이 특정 응용 프로그램에 중요한지 여부는 문제의 여지가 있습니다. 고속 디지털 시스템, RF 시스템 및 기타 많은 응용 프로그램은 목표 임피던스를 설정하고, 원하는 주파수 범위 내에서 필터링하며, PCB의 PDN에서 디커플링을 보장하기 위해 저-ESL 캐패시터를 특별히 요구합니다.

일부 구성 요소 데이터시트 또는 응용 노트는 특정 유형의 캐패시터를 사용해야 한다고 단순히 명시하지만, 다른 데이터시트는 특정 ESL 값이 있는 캐패시터를 요구하지만 다른 지침은 제공하지 않습니다. 그렇다면 어떻게 디자인에 적합한 저-ESL 캐패시터를 사용하고 있는지 확신할 수 있을까요? 여기에 정리한 지침은 고급 응용 프로그램에 대한 저-ESL 캐패시터를 찾고 선택하는 방법을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

저 ESL이란 무엇인가?

모든 구성 요소에는 일부 기생성이 있으며, 이는 의도하지 않은 인덕턴스, 저항, 그리고 캐패시턴스를 의미합니다. 이러한 기생성은 구성 요소의 실제 전기적 동작이 구성 요소의 이상적인 동작과 다르게 만듭니다. 이는 구성 요소 자체의 구조 또는 PCB에 구성 요소가 배치되는 방식으로 인해 발생할 수 있습니다. 일반적으로, DC 전원이 공급될 때, 수동 구성 요소는 이상적인 구성 요소로 동작하지만, 고주파에서는 기생성이 전기적 동작을 지배하기 시작합니다.

ESL이 있는 캐패시터 회로 모델

캐패시터에서 등가 직렬 인덕턴스(ESL)는 특정 주파수를 넘어서면 눈에 띄게 되는 캐패시터의 명백한 인덕턴스입니다. 또한 일정량의 등가 직렬 저항(ESR)이 있습니다. 마지막으로, 캐패시터에는 이상적인 캐패시턴스, ESL, 및 ESR과 병렬로 존재하는 일부 누설 또는 벌크 저항이 있습니다. 이는 다음 이미지와 진정한 캐패시터 임피던스에서 보여집니다.

캐패시터의 유전체 재료는 강력한 절연체이기 때문에, Rbulk의 값은 일반적으로 매우 큽니다(~100 GOhms), 따라서 캐패시터의 임피던스를 계산할 때 무시할 수 있습니다. 그러므로, 우리는 ESL 및 ESR 값에 초점을 맞출 필요가 있습니다. 캐패시터 선택하기.

자기 공진과 ESL

위의 회로 모델을 살펴보면, 실제 커패시터는 RLC 회로이므로 위에서 정의한 것처럼 일정한 자기 공진 주파수를 가지고 있습니다. 유사한 RLC 모델은 인덕터, 변압기, 그리고 다이오드와 트랜지스터 같은 반도체의 실제 동작을 설명하는 데 사용됩니다. 이 자기 공진 주파수 때문에 실제 커패시터가 인덕터처럼 작동할 수 있습니다; 구동 주파수가 자기 공진 주파수보다 클 때, 구성 요소의 유도 행동이 지배적입니다.

왜 낮은 ESL과 ESR을 가져야 할까요?

일반적으로 ESL과 ESR이 0인 커패시터는 없지만, 일부 응용 프로그램에서는 매우 낮은 값을 요구합니다.

고속/고주파수 응용 프로그램에서 커패시터를 선택할 때 낮은 ESL 값을 원하는 세 가지 이유는 다음과 같습니다:

• 필터링 응용 프로그램에서: 낮은 ESL은 자기 공진 주파수가 더 높다는 것을 의미하므로, 커패시터가 더 넓은 주파수에서 이상적인 구성 요소처럼 동작합니다.

• 전력 응용 프로그램에서: 과도 응답이 더 빨라져서 커패시터가 전력을 더 빨리 방전하고 전달할 수 있습니다. 필터링에서의 이점도 전력 응용 프로그램에서 적용됩니다. 여기서 낮은 ESR도 중요합니다. ESR이 낮을수록 충전/방전이 더 빨라집니다.

• 디커플링 응용 프로그램에서: 고속 IC에서 디커플링/바이패싱용으로 사용될 때, 낮은 ESL 커패시터는 그라운드 바운스와 공급 바운스를 더 크게 줄입니다.

아래 이미지는 0.01 옴 ESR을 가진 이론적인 10 nF 커패시터의 ESL이 임피던스에 미치는 영향을 보여줍니다. 다양한 곡선은 다른 ESL 값(1 nH, 10 nH, 100 nH)에 대한 임피던스 프로필을 보여줍니다. 그래프에서 우리는 ESL 값에 관계없이 자기 공진 주파수까지 임피던스가 커패시티브하고 그 이후에는 유도적이라는 것을 볼 수 있습니다.

스위칭 전원 공급 장치, 인버터 또는 전력 변환기와 같은 응용 프로그램에서 사용되는 커패시터의 경우, ESL은 일반적으로 큰 문제가 아닙니다. PWM 드라이버 신호는 일반적으로 충분히 느려서 대부분의 전력이 자기 공진 주파수 아래에 집중되므로 고전압 등급의 거의 모든 커패시터를 사용할 수 있습니다. 예외는 매우 효율적인 전력 변환을 보장하기 위해 스위칭 주파수(메가헤르츠 이상)와 상승 시간(~1 ns)을 훨씬 높게 선택할 때입니다. 그 경우에는 PWM 드라이버가 자기 공진을 유발할 수 있으며, 낮은 ESL 커패시터가 필요합니다.

디지털 디커플링 응용 프로그램에서 PCB의 PDN으로 유입되는 전류를 부드럽게 해야 할 필요가 있을 때, 낮은 ESL 캐패시터를 사용하면 PDN 임피던스가 높은 주파수까지 부드럽게 유지될 수 있습니다. 목표는 PDN 임피던스를 목표값 이하로 유지하여 낮은 임피던스가 PDN에서 작은 전압 변동으로 변환되도록 하는 것입니다. 이것이 구식 고속 설계 응용 노트가 각 IC에 대해 세 개의 캐패시터(10 nF, 1 nF, 100 pF)를 사용하라고 말하는 이유입니다. 매우 낮은 상승 시간을 가진 고속 FPGA와 같은 고급 구성 요소의 경우, 10GHz 또는 100GHz까지 평탄한 임피던스가 필요하기 때문에 디커플링 전략이 훨씬 더 복잡할 수 있습니다.

캐패시터 ESL 및 ESR을 결정하는 요소는 무엇인가요?

캐패시터의 ESL 및 ESR 값에 기여하는 세 가지 요소가 있습니다. 이들은 다음과 같습니다:

• 유전체 재료: 유전체와 캐패시터 리드 사이의 접촉 저항이 ESR 값을 결정하며, 유전체의 투자율이 ESR 값을 결정합니다.

• 패키지 크기: 이 요소는 캐패시터에서 ESL 및 ESR에 가장 큰 영향을 미칩니다. 큰 패키지는 더 큰 리드와 유전체에 대한 접촉을 가지므로 더 큰 ESL 값을 가질 수 있습니다.

• 장착 스타일: 스루홀 구성 요소는 스루홀 캐패시터의 리드 크기가 크기 때문에 SMD 캐패시터보다 높은 ESL을 가지는 경향이 있습니다.

캐패시터에 사용된 유전체 재료가 ESL 및 ESR을 결정하기 때문에, 일부 IC 데이터시트와 응용 노트가 특정 유형의 캐패시터를 권장하는 이유를 이제 이해할 수 있습니다. 특정 유형의 캐패시터(예: 탄탈럼, 세라믹 등)는 낮은 자체 공진 주파수를 가질 수 있으므로 고속 디지털 응용 프로그램에서 사용하기에 더 좋은 선택이 될 수 있습니다. 한편, 전력 전자에서는 더 큰 캐패시터의 사용이 고전압 등급을 보장하고 안정적인 DC 출력을 유지하는 것에 더 관련이 있으므로, ESL 및 자체 공진은 덜 중요합니다.

낮은 ESL 캐패시터 선택하기

불행히도, 낮은 ESL 캐패시터를 찾을 필요가 있을 때, 대부분의 데이터시트는 ESL에 대한 구체적인 값을 제공하는 데 부족합니다. 데이터시트는 ESR 값에 대해 더 잘 설명할 수 있으며, 이는 임피던스 곡선이 얼마나 평평한지 이해하는 데 중요합니다. 고주파 캐패시터로 특별히 마케팅되는 캐패시터의 일부 데이터시트는 임피던스 대 주파수 곡선을 포함할 수 있으며, 이는 캐패시터가 대역폭 요구 사항을 충족할지 즉시 결정하는 데 도움이 됩니다.

낮은 ESL 캐패시터 후보 찾기

캐패시터의 ESL 값이 데이터시트에서 거의 찾을 수 없기 때문에, 제조업체의 제품 가이드를 살펴봐야 합니다. 아래와 같은 차트를 찾을 수 있다면, 캐패시터의 ESL 값에 대한 좋은 아이디어를 얻을 수 있습니다. 다음 차트는 American Technical Ceramics 600 시리즈 MLCC의 자체 공진과 용량이 어떻게 관련되어 있는지 보여주며, 곡선의 기울기는 캐패시터의 ESL 값과 관련이 있습니다.

디지털 대 아날로그

아날로그 시스템, 예를 들어 무선 시스템과 같은 시스템에서 저ESL 캐패시터를 선택하는 것은 상당히 쉽습니다. 단순히 캐패시터가 이상적인 캐패시터처럼 작동하며 그 자체 공진 주파수가 시스템의 운영 주파수보다 큰지 확인하면 됩니다. 디지털 신호는 광대역이기 때문에, 단일 주파수만을 보는 것이 아니라 전체 임피던스 대 주파수 곡선을 신호 대역폭과 비교해야 합니다.

저ESL 캐패시터를 이용한 디커플링

기억하세요, 물리적으로 더 작은 캐패시터는 더 낮은 ESL 값을 가지며 따라서 더 높은 자체 공진 주파수를 가집니다; 이것은 물리적으로 더 작은 캐패시터가 고속 디지털 시스템에 권장되는 또 다른 이유입니다. 고속 디지털 시스템의 전형적인 레이아웃과 PDN 디커플링 스킴을 살펴보면, 디커플링 네트워크에 병렬로 배치된 여러 캐패시터를 볼 수 있습니다. 이에는 특별한 이유가 있습니다: 동일한 캐패시터를 병렬로 사용하면 총 등가 캐패시턴스가 증가하고 PDN 임피던스가 감소하지만, 공진 주파수는 변경되지 않습니다. 아래 예시에서는 동일한 C 및 ESL 값을 가진 5개의 캐패시터를 보여줍니다.

위 다이어그램에서 ESR을 무시했지만, 결과는 동일하게 나옵니다; 이 부분은 독자에게 연습으로 남겨두겠습니다. 여기서의 요점은, 고자체 공진 주파수를 가진 저ESL 캐패시터를 선택해야 한다면, 더 작은 용량의 캐패시터를 사용하고 이를 병렬로 여러 개 배치하기만 하면 됩니다. 단일 저ESL 캐패시터나 병렬로 배치된 동일한 캐패시터들의 주파수 응답은 동일할 것입니다.

다른 C 또는 ESL 값을 가진 다른 캐패시터들이 병렬로 배치된 경우에는 동일한 아이디어가 엄격하게 적용되지 않습니다. 이 경우, 다른 RLC 네트워크 간의 상호 작용으로 인해 여러 공진 피크가 발생하며, 이러한 캐패시터 네트워크의 임피던스 및 주파수 응답을 이해하기 위해서는 더 철저한 분석이 필요합니다.

저ESL 캐패시터를 찾기 위한 최고의 검색 엔진 사용하기

최고의 전자 부품 검색 엔진은 특정 ESR 값, 장착 스타일, 유전체 재료 및 물론 용량 값까지 좁혀서 검색할 수 있도록 도와줍니다. 특정 재료 유형까지 좁혀서 검색할 수 있을 때, 저ESL 값을 가질 가능성이 높은 다양한 유형의 캐패시터를 식별할 수 있습니다.

주요 제조업체의 표준 패키지에서 저ESL 캐패시터를 찾아야 할 때는 Octopart의 고급 검색 및 필터링 기능을 사용하세요. Octopart의 전자 부품 검색 엔진을 사용하면, 업데이트된 유통업체 가격 데이터, 부품 재고, 부품 사양에 접근할 수 있으며, 모두 사용자 친화적인 인터페이스에서 자유롭게 이용할 수 있습니다. 저희의 수동 부품 페이지를 확인해 보세요 필요한 부품을 찾아보세요.

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