[QnA] 평활 콘덴서는 크면 좋은지요? 그리고 정확한 역할은 무엇인지요?

Q1) 대부분의 고용량(전류 1A 이상) 의 레귤레이터 출력단에 전해 커패시터를 사용합니다. 1uF/1A 정도로 recommend 되고요. 이 캡이 평활용 캡으로 리플 노이즈 제거에 이용된다고 알고 있습니다. Q=CV에서 C값이 커지므로 V(ripple)이 낮아집니다. 그래서 대부분 큰 용량의 캡을 사용한다고 알고 있는데.. 맞는지요?

A1) 먼저 권장 커패시터 값이 1uF/A 라는 것은 어디에서 언급되었는지 궁금하군요.

용량값의 크기는 부하에서 사용되는 전류량, 레귤레이터의 응답 시간(스위칭 레귤레이터의 경우 스위칭 주파수와 외부 인덕터), 리플 리젝션 정도 등에 따라서 결정될 것입니다.

대게 사용할 레귤레이터가 결정되면, 사용 전류나 응답 특성이 결정 됩니다. 그런데 그것에 대한 특성은 제조사가 잘 알지요. 그래서 일반적으로 제조사는 어플리케이션 회로도를 주지요. 거기 나오는 값들은 레귤레이터를 허용된 스펙 내에서 범용적으로 사용하는 값으로 왠만하면 잘 작동합니다. 그대로 사용하면 무난합니다. 특히 스위칭 레귤레이터의 경우 스위칭 주파수와 코일 그리고 평활 콘덴서의 조합이 광범위 합니다. 가급적 제조사 가이드를 따르는 것이 좋습니다.

레귤레이터의 동작은 마치 이상 전원에 인덕터를 직렬로 연결한 것과 비슷합니다. 따러서 커패시터가 없으면 부하가 전류를 소모하는 양이 변할 때마다 공급 전압이 위 아래로 출렁거려 문제가 됩니다. 커패시터의 값은 레귤레이터의 등가 인덕턴스 값을 보상할 정도가 바람직 합니다. 너무 크게 되면 오히려 고주파 부분에 바람직하지 않습니다. 왜냐하면 큰 커패시터들은 인덕턴스 성분도 크기 때문 입니다.

그리고 위에서 언급한 Q=CV는 콘덴서(커패시터) 용량이 같다면 전하량이 전압에 비례한다는 말 입키다. 즉 전압을 높이면 더 많은 전하를 충전시킬 수 있다는 말입니다. 혹은 사용 전압이 같다면 용량이 클수록 많은 전하를 저장한다는 말이지요. 이것만 보면 C값이 크면 충전이 많이 돼니까 당연히 리플에 유리한 것 처럼 보입니다(실제로 100Mhz 이하 저주파 동작 위주면 유리할 가능성이 큽니다). 커패시터로 전류가 흘러 들어가고 흘러 나오는 경로에 ESL이 동일하면 맞는 설명입니다. 그런데 일반적으로 C가 커지면 ESL도 커져서 충방전의 원활함에 영향을 줍니다. 충전은 많이 했는데 공급에 병목이 생기면 커진 효과를 보는 것보다 병목으로 인한 손해를 볼 수 도 있지요.

Q2) 이런 대용량 캡의 경우 출력에서 로드까지의 길이가 긴 경우, 출력 단에 가깝게 배치하면 되는지요? 만약 출력에서 로드까지의 길이가 긴 경우, 라인 중간에 더 배치를 해야되는지요? 대부분 출력단에 대용량 캡 실장 후 로드단에 저용량 세라믹 캡으로 노이즈를 감소시킵니다. 대용량 캡의 역할과 위치가 궁금합니다.

A) 커패시터를 사용하는 목적은 리플(노이즈)을 리플원(노이즈 소스)에서 다른 깨끗한 곳으로 퍼져나가지 못하게 하기 위함입니다. 리플은 어떤 주파수 성분을 가지고 있습니다. 그것은 신호가 주파수 성분을 가지고 있는 것과 비슷합니다. 따라서 어떤 리플을 제거하려면 그 리플이 가지고 있는 주파수 성분 대역에서 디커플링 특성이 좋아야 합니다. 대용량 커패시터의 경우 낮은 공진 주파수(디커플링에 유효한 주파수)를 가지고 있습니다. 반면 칩 커패시터같은 소용량 커패시터는 높은 공진 주파수를 갖습니다. 따라서 대용량 커패시터는 저주파 리플이 발생하는 부위에 배치를 해야하고 저용량 커패시터는 고주파 리플이 발생하는 부위에 배치해야 합니다. 레귤레이터는 전형적인 저주파 리플원 입니다. 따라서 대용량 커패시터를 근처에 배치해야 합니다. 일반적인 IC류 들은 중고주파 동작을 하니까 중고주파 리플원 입니다 따라서 저용량 커패시터를 근처에 배치해야 합니다.

이때 IC류도 저주파 동작도 포함할 수 있기 때문에 대용량 커패시터가 필요하지만 저주파는 거리 멀어도 크게 문제가 되지 않기 때문에 레귤레이터의 그것으로 효과를 볼 수 있습니다. 다만 레규레이터와 부하의 거리가 매우 먼 경우에는 부하 근처에도 대용량 커패시터를 배치할 수 있습니다.

대용량 커패시터는 소용량에 비해서 커버리지가 매우 넓기 때문에 레귤레이터의 부하가 여러 개 일 경우 각각마다 달지 않고 하나로 거버할 수 있습니다. 다르게 말하면 소용량 커패시터는 커버리지가 매우 작기 때문에 부하마다 개별로 근처에 달아주어야 합니다.

참고: 아래 그림은 대용량 커패시터와 소용량 커패시터 2개의 임피던스 특성을 주파수 영역에서 보여주고 있습니다. 저주파 커패시터는 대략 600 Khz의 공진 주파수를 가집니다. 반면 저용량 커패시터는 40 Mhz의 공진 주파수를 가집니다. 600 Khz 근처에서 보면 저주파 커패시터의 임피던스는 10ohm 전후 입니다. 매우 높습니다. 따라서 고용량 커패시터는 600 Khz 노이즈를 효과적으로 제거할 수 없습니다. 반면 대용량 커패시터는 0.1ohm 이하로 효과적으로 600 Khz 노이즈를 제거할 수 있지요. 반면 100MHz에서 보면 대용량 커패시터는 1ohm이 넘는데 소용량 커패시터는 0.1ohm 정도 밖에 되지 않습니다. 소용량 커패시터가 대용량 커패시터보다 10배 낮은 임피던스를 제공해서 100 Mhz 노이즈 성분을 10배 더 효과적으로 제거할 수 있습니다.

※ 지금까지 내용은 제너럴한 내용으로, 모든것은 특정 경우에 따라 달라질 수 있으므로 상황에 맞게 대체해야 합니다,