커패시터에 대해 가르쳐주지 않는 것들

공학에서 우리는 종종 다루는 주제의 복잡성을 관리 가능한 수준으로 유지하기 위해 수백 가지의 정신적 단축키를 채택합니다.

만약 우리가 LED를 깜박일 때마다 양자 물리 시뮬레이션을 실행해야 한다면, 우리는 아무것도 완성할 수 없을 것입니다. 그러나, 많은 이러한 단축키와 경험칙은 과거에 만들어졌으며, 당시의 전자 산업은 지금과는 근본적으로 달랐습니다.

오늘, 우리는 커패시터가 무엇이 아닌지를 잊고, 현대 전자기기를 고려하여 커패시터를 어떻게 사용해야 하는지에 대해 논의할 것입니다.

커패시터가 더 이상 아닌 것(Anymore)

하나의 흔한 가정은 커패시터의 주요 역할이 충전을 저장하는 것이라는 것입니다, 마치 물통이 한 컵으로 채워지고 동시에 다른 컵으로 비워지는 것처럼.

만약 여러분이 “전류가 커패시터를 통해 흐르는가”에 대해 논의하다가 물리학보다는 정치에 가까워진 적이 있다면, 교류 전류가 관련될 때 일반적인 비유가 별로 의미가 없다는 것을 알게 될 것입니다. 커패시터는 단지 유전체로 분리된 두 개의 도체일 뿐이며, 기본 물리학 설명에서 그것을 어떻게 사용해야 하는지에 대한 설명은 어디에도 없습니다.

에너지 저장은 커패시터의 많은 용도 중 하나일 뿐이며, 전기 신호 및 임피던스를 필터링, 형성 또는 변경하는 것도 그 용도입니다. 우리는 이것을 주요 용도로 생각하는 경향이 있는데, 이는 DC 전기의 시작과 15세기에 발명된 윌리엄 길버트의 전기계 때문입니다.

쉽고 강력하고 모던한 서비스

세계에서 가장 신뢰할 수 있는 PCB 설계 시스템

자세히 알아보기

커패시터의 역할

디커플링과 바이패스 커패시터 같은 용어는 종종 서로 바꿔 사용되는데 — 나 자신도 이런 실수를 수없이 했습니다.

이로 인해 많은 혼란이 발생하는데, 다른 용도는 종종 패키징, 전압 등급, ESR(등가 시리즈 저항), ESL(등가 시리즈 인덕턴스), 자체 공진 프로필과 같은 다른 전기적 및 물리적 파라미터를 가진 커패시터를 요구하기 때문입니다.

커패시터는 그것들이 만들어진 기술(세라믹, 전해)뿐만 아니라 그 역할에 따라서도 다른 이름을 가집니다.

다음 섹션들은 커패시터가 맡는 가장 일반적인 역할 중 일부를 포함하고 있습니다.

간편한 컴포넌트 관리

컴포넌트를 관리하고, 실시간 공급망 데이터를 확인하고, 즉시 사용 가능한 수백만 개의 부품에 액세스할 수 있습니다.

자세히 알아보기

바이패스 커패시터

바이패스 커패시터의 역할은 RF(상당히 높은 주파수 AC) 에너지를 보드의 한 부분에서 다른 부분으로 전달하는 것입니다. 방금 읽었듯이, 저장에 대한 언급은 전혀 없습니다. 전혀! 바이패스 커패시터는 저장이 아닌 전도에 관한 것입니다.

이를 위해서는 관심 있는 주파수에서 가능한 한 낮은 임피던스를 가진 커패시터를 신중하게 선택해야 합니다. 이는 RF 신호와 가능한 한 자체 공진 주파수를 일치시켜 달성할 수 있습니다.

자체 공진 주파수는 커패시터의 용량과 기생 인덕턴스가 공진하는 주파수로, 커패시터가 가능한 한 낮은 임피던스를 나타내는 주파수입니다. 수학적으로는 용량과 인덕턴스가 사라진 것처럼 보이며, 오직 등가 직렬 저항만 남습니다.

자체 공진 주파수보다 높은 주파수에서는 커패시터가 점점 덜 커패시터처럼 행동하고 더 많이 인덕터처럼 행동하기 시작합니다.

주의해야 할 점

바이패스 커패시터를 사용하여 전자기 방출을 제어하려고 할 때 (특히 접지면에서 바이패스를 시도할 때) 가장 흔히 저지르는 실수 중 하나는, 처리하고자 하는 소음의 원천에서만 그 배치를 제한하는 것입니다.

세계가 전자제품을 설계하는 곳

전자 개발의 모든 측면에서 사일로를 분해하고 협업을 강화하세요

더 알아보기

DC에서는 이것이 의미가 있습니다: 가능한 한 원천에 가깝게 신호를 단락시켜 그 값이 가능한 한 낮아지도록 하여, 전기적 단락(커패시터)과 원천 사이의 저항(임피던스)을 최소화합니다.

교류에서, 특히 RF 영역에서는 전기 신호의 파동 특성으로 인해, 근처의 노이즈 소스와 나머지 접지면 사이의 임피던스가 급격히 증가하면 반사의 원인이 될 수 있습니다. 이는 트레이스에서도 발생할 수 있는데, 바이어스의 높은 임피던스가 RF 에너지를 반사할 수 있기 때문입니다.

반사란 임피던스 불일치로 인해 반사된 에너지입니다. 다시 말하지만, 이는 "종단되지 않은 선로로 인해 반사된 에너지"라는 전통적인 설명과 충돌하는데, 이는 부분적으로만 정확합니다.

바이패스 커패시터를 사용할 때는 커패시터를 보드 전체에 분산시켜 전력 및 접지면의 임피던스를 낮추려고 해야 합니다. 주소하고자 하는 주파수, 레이어 스택업, PCB의 유전체 재료에 따라, 피코패럿에서 나노패럿 범위의 커패시터를 고려해야 할 수도 있습니다.

디커플링 커패시터

7805와 같은 유비쿼터스 선형 레귤레이터는 출력 전압을 전압 참조와 비교하는 내부 피드백 루프를 가지고 있으며, 안정된 출력을 유지하기 위해 그에 따라 전류를 조절합니다.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

이론적으로, 선형 조정기는 외부 커패시터 없이 사용될 수 있습니다 — 적어도 자기 유도 진동의 문제를 무시한다면 말이죠. 안정적인 출력을 얻기 위해서는 선형 조정기가 따라갈 수 있을 만큼 충분히 느린 슬루율로 요구되는 전류가 변해야 합니다. 대부분 80년대 초반 BJT 기술을 기반으로 만들어진 것을 감안하면, 이러한 슬루율은 전혀 빠르지 않습니다.

마찬가지로, 스위칭 DC-DC 컨버터는 기본 스위칭 주파수를 가지고 있으며 이 주파수보다 빠르게 출력을 조절할 수 없습니다.

많은 현대 디지털 장치들은 수백 메가헤르츠의 주파수 성분을 가진 전류 트랜지언트를 생성하는데, 이는 어떤 조정기도 따라갈 수 없는 수준입니다(우리가 이야기하는 것이 특이한 레이저 다이오드 드라이버가 아닌 이상).

디커플링 커패시터는 DC 전원 공급 회로에 의해 조절되는 안정적인 전압과 현대 디지털 장치의 간헐적인 전류 소비 사이의 경계에서 작동합니다.

전원 공급장치와 장치 사이에 작은 임피던스가 있을 때, 전류 피크에 직면하면 금방 허용 범위를 벗어난 공급 전압으로 이어집니다.

Cloud Storage and Version Control

Store your libraries and design data in one secure, accessible, and version-controlled space.

Learn More

디커플링 커패시터는 일시적인 지역적 에너지 저장소로 작용하여, 몇 메가헤르츠에서 몇 백 메가헤르츠 사이의 값에 대해 소스 임피던스를 효과적으로 줄입니다.

수백 MHz 이상의 주파수에서 대부분의 SMD 캐패시터는 높은 임피던스를 나타내며 비효과적이므로, 대신 층 스택에 매립된 용량 같은 기술을 사용해야 합니다.

주의해야 할 사항

디커플링 캐패시터는 주로 그들의 기생 속성에 의해 도입된 제한 때문에 상대적으로 좁은 주파수 대역에서만 유용합니다.

주의해야 할 주요 매개변수는, 다시 한번, 자기 공진 주파수입니다. 디커플링 캐패시터는 자기 공진 주파수보다 낮은 주파수에서만 효과적입니다.

캐패시터를 선택할 때 자주 유용한 경험칙은 다음과 같습니다:

간편한 제조

이메일 스레드도, 혼동도 없이 한 번의 클릭만으로 제조업체로 제품을 보낼 수 있습니다.

자세히 알아보기

• DC에서 ~Khz까지: 캐패시터가 필요 없으며, 전원 공급 장치가 스스로 따라갈 수 있습니다.
• ~Khz에서 ~Mhz까지: 전해 캐패시터의 높은 값은 낮은 주파수 범위에 유리하지만, 높은 직렬 임피던스는 낮은 자기 공진 주파수를 유발하여 성능을 제한합니다. Mhz 범위에서 많은 전해 캐패시터는 이미 매우 유도성이 높습니다.
• ~Mhz에서 200Mhz까지: 세라믹 캐패시터는 유전체, 패키지 크기, 및 제조 기술에 따라 보통 이 범위를 커버합니다.
• 200Mhz 이상: 세라믹 캐패시터는 비효과적이기 시작합니다. 이 시나리오에서는 매립 용량 기술을 대신 사용하는 것이 가장 좋습니다.

벌크 캐패시터

벌크 커패시터는 전원 라인 사이클이 누락될 때 전압을 안정적으로 유지하고 피크 전류 수요를 지원하는 데 사용되며, 이 역할에 필요한 높은 용량 때문에 보통 전해 커패시터를 사용합니다.

이들을 귀엽고 작은 원통형 UPS(무정전 전원 공급장치)로 생각해보세요.

세라믹 커패시터에 대해 가르쳐주지 않는 것들

세라믹 커패시터는 오늘날 전자 산업에서 필수적인 수동 부품이며, 그들의 부피당 커패시턴스는 실리콘의 트랜지스터 밀도와 비슷한 비율로 개선되어 현대의 고밀도 설계를 가능하게 했습니다.

그들은 분명 기술의 경이로움이지만, 알아두어야 할 몇 가지 특이점도 있습니다.

작을수록 좋다

세라믹은 멋진 재료지만, 또한 부서지기 쉽습니다. 예를 들어, 더 큰 보드(또는 패널)의 조립 중에 PCB 보드가 휘어지거나, v-cut 보드를 부적절하게 분리하거나, 제품이 배송 중에 부주의하게 다뤄질 때 세라믹 커패시터가 깨질 수 있습니다.

Variant Manager

Meet demands of a globalized market that requires unique versions of your PCBs.

Learn More

플렉스 크랙은 위험한 현상입니다: 커패시터가 고전류를 감당할 수 있는 전원 라인에 사용되는 경우, 종종 단락되어 화재를 일으킬 수 있습니다.

대중적인 지혜와는 반대로, 더 작은 캐패시터는 전기적 및 기계적 성능이 우수합니다. 그들은 균열이 생길 가능성이 적고 자체 공진 주파수가 더 높습니다.

제품이 기계적 스트레스 하에서 높은 신뢰성이 필요한 경우, 이러한 종류의 실패를 줄이기 위해 사용할 수 있는 몇 가지 기술이 있습니다.

• 보드가 휘는 방향과 같은 방향으로 캐패시터를 배치하지 마십시오.
• 0402와 같은 작은 캐패시터를 사용하십시오
• 스트레스 하에서 단락하지 않는 소프트 종료 캐패시터를 사용하고/또는 단락이 열리는 X2/Y2 등급의 세라믹 캐패시터를 사용하십시오
• 기계적 스트레스를 완화하기 위해 캐패시터 주변을 라우팅하십시오
• 단락이 열리는 캐패시터를 선택했다고 가정할 때, 하나가 파손되더라도 회로가 정상적으로 작동할 수 있도록 항상 적어도 두 개를 병렬로 사용하십시오

유전체는 매우 중요합니다

C0G, X7R… 유전체는 이상한 이름을 가지고 있으며 다양한 성질을 가지고 있습니다. 여기 그들의 특성과 그들이 빛나는 경우가 있습니다.

• C0G/NP0: 시장에서 가장 고급스러운 세라믹 캐패시터입니다. 일반적으로 1pF부터 100nF까지 사용 가능하며, 허용 오차는 5%입니다. NPO는 양수-음수-제로를 의미하며, 이는 온도 범위에 걸쳐 평탄한 모습을 보이는 캐패시터의 계수 그래프의 형태를 나타냅니다. 정확한 값과 안정성이 요구될 때 사용해야 하는 제품입니다.
• X7R: 현대의 주력 제품입니다. 우수한 전압 및 온도 계수를 가지고 있으며, 100pF부터 22uF 사이에서 인기가 많습니다. 디커플링 응용 분야에서 가장 널리 사용되며, -55°C부터 125°C까지의 넓은 온도 범위를 가지고 있습니다.
• X5R: X7R과 유사하지만, 125°C가 아닌 85°C로 평가됩니다.
• Y5V: 매우 낮은 전압 및 온도 등급으로 극도로 높은 용량 값을 달성할 수 있지만(용량 손실이 최대 82%까지 허용됨).
• Z5U: Y5V와 유사하게, Z5U 캐패시터는 전압 및 온도 성능이 떨어지며 매우 저렴합니다. -10°C까지만 평가됩니다. 저가 소비자 장비의 디커플링에만 사용됩니다.

주의할 점

다른 유전체를 가진 캐패시터를 매칭하면 예상치 못한 결과를 초래할 수 있습니다.

Manufacturer Part Search

간결한 컴포넌트 생성 프로세스로 설계 시간을 단축하세요.

자세히 알아보기

예를 들어, Z5U 커패시터는 매우 저렴하며 바륨 타이타네이트 유전체를 사용합니다. 이 재료는 높은 유전 상수를 가지고 있어 우수한 용량 대 볼륨 비율을 가능하게 하며, 자체 공진 주파수는 일반적으로 1MHZ에서 20MHZ 사이입니다.

NPO는 10Mhz 이상의 주파수에서 더 나은 성능을 발휘하므로, 왜 넓은 주파수 성능을 얻기 위해 이들을 혼합하여 사용하지 않을까요?

불행히도, Z5U와 NP0 커패시터가 병렬로 연결될 때, 높은 유전 상수 재료가 NPO의 공진 주파수를 감쇠시키고, 결합은 단지 좋은 품질의 Z5U만 사용하는 것보다 전반적인 성능이 더 나빠지는 결과를 초래합니다.

그러나 '왜'에 대한 이유는 확실히 제 급여 수준을 넘어섭니다. 이 현상을 이해한다면, 저에게 편지를 써 주세요.

유전체 흡수

충전된 커패시터의 출력을 단락시키면, 완전히 방전된 커패시터가 실험대 위에 앉아 슬픈 눈으로 당신을 바라보는 상황을 마주하게 됩니다. 그러나, 이것은 항상 그런 것은 아닙니다. 진공 커패시터를 유일한 예외로 하여, 거의 모든 커패시터는 방전된 후에도 일부 충전을 유지합니다.

이 현상은 전기장에 의해 시간이 지남에 따라 무작위로 배향된 분자 쌍극자가 정렬되고, 그들의 새로 발견된 배향이 그 부재에서도 유지되기 때문에 발생합니다.

세라믹 커패시터는 NP0의 경우 충전 전압의 최대 0.6%, X7R의 경우 2.5%까지 유지할 수 있습니다.

전압 의존 커패시턴스

Y5V 커패시터는 정격 전압에서 커패시턴스의 최대 82%까지 손실될 수 있으며, NP0 커패시터는 거의 평탄한 반응을 보입니다.
USB-PD 표준에 필요한 구성 가능한 전압 소스를 통해 출력 전압을 변화시켜야 하는 응용 프로그램이 있는 경우, 예를 들어 Mark Harris가 최근 기사에서 논의한 것처럼, 예측할 수 없는 회로 성능을 경험할 수 있습니다.

Altium Designer^®의 설계 도구에는 새로운 기술을 따라잡을 수 있는 모든 것이 포함되어 있습니다. 오늘 저희에게 연락하여 다음 PCB 설계를 향상시킬 수 있는 방법을 알아보세요.