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K-SIM을 활용한 커패시터 매개변수 확인 방법
신동윤 기자 | 승인 2018.06.04 16:42

많은 사람들이 학교나 실무에서 극성과 무극성이라는 두 가지 유형의 커패시터에 대해 배웠을 것이다. 이 둘 사이의 차이점은 극성 커패시터를 절대 뒤쪽에 두면 안된다는 것이다. 커패시터를 처음 다루기 시작했을 때, 우리가 가장 먼저 배우는 것은 커패시터는 유전체로 분리된 두 개의 전극판이라는 단순한 구조에 비해 굉장히 복잡한 기능을 하고 있다는 것이다. 특히 전극층과 유전체가 어떤 물질로 구성 됐는가에 따라 커패시터의 특성과 반응이 크게 달라질 수 있다는 것을 알게 됐다.

여기서 놀랄만한 사실 하나는 커패시터의 데이터시트가 부품의 완전한 정보를 제공하지 제공하지 않는 다는 사실로 유명해졌다는 것이다. 예를 들면, 제조업체들은 MLCC(MultiLayer Ceramic Capacitor)의 SRF(Self-Resonant Frequency)를 밝히지 않는 경우가 종종 있다. 일반적으로 커패시터 제조업체는 성능 특성을 나타내는 일반적인 그래프를 제공하는 경우가 대부분이다. 또는 일부 유전체의 경우 각 매개 변수에 대한 개별 차트만 제공하기도 한다. 이는 분명히 유용한 정보이기는 하지만, 디자이너가 커패시터를 제대로 활용하기 위해서는 여전히 많은 계산 작업을 직접 수행해야만 한다.

커패시터에 대한 데이터시트가 정확한 지 확인하기 전에, 세라믹 커패시터의 손실을 예를 들어 살펴보자.

세라믹 커패시터의 손실 매개변수

세라믹 커패시터는 현재 가장 많이 대중적인 커패시터이지만, 상대적으로 이해도가 낮다. 세라믹 커패시터 또는 MLCC는 다음과 같은 세가지 요인으로 인해 문제가 발생할 수 있다. 첫번째는 다른 수동 부품과 마찬가지로 허용 오차 대역을 갖고 있으며, 기기가 대역의 플러스 영역 부근에 있을 수도 있지만, 항상 이런 상황을 바랄 수는 없다. 또한 온도와 인가된 DC 전압 또한 핵심적인 요인이다. 이런 요소는 일반적으로 커패시터의 정전용량에 손실을 유발한다.

온도에 의한 손실

커패시터의 라벨에 표시된 ‘C0G’이나 ‘X7R’이라는 표시는 유전체의 온도 계수를 의미한다. 일반적인 계수는 C0G과 U2J, X7R, X5R 등이다. 이보다 훨씬 많은 계수가 존재하지만, 이것 들은 일반적으로 가장 많이 사용되는 계수들이다. C0G와 U2J는 ‘울트라 스테이블’ 클래스 I 유전체로 구분된다. 이들은 온도에 따라 거의 변화를 보이지 않는다. 예를 들어, C0G는 커패시터가 전체 정격 온도 범위 내에서 ±30ppm 수준의 변화만 보여준다는 것을 의미한다. X7R과 X5R은 클래스 II 유전체로 분류한다. 여기서 각 문자는 [그림 1]에서와 같이 각각의 의미를 갖고 있다.

[그림 1] 이 표는 세라믹 커패시터의 클래스 II 온도 계수를 나타낸다. | 자료: KEMET

첫 번째 문자는 고온, 두 번째 문자는 저온, 세 번째 문자는 예상되는 변화량을 의미한다. X는 -55°C, 7은 +125°C를 의미하며, 5는 +85°C를, 마지막으로 R은 ±15%를 의미한다. 따라서 X7R은 -55~+125°C의 온도 범위에서 최대 15%의 변동이 발생한다는 것을 말한다. 일반적으로 커패시터는 실온에서 가장 정점에 달하지만, 극한 온도에서도 큰 성능 저하를 보이지 않기 때문에 일반적으로 생각하는 종 형태의 커브가 만들어지지는 않는다. [그림 2]

[그림 2] MLCC(Class I, II 및 III)의 온도에 대한 유전율 변화 그래프 | 자료: KEMET

인가된 직류 전압에 의한 손실

세라믹 커패시터가 정전용량을 손해보는 세번째 이유는 ‘DC 바이어스’ 또는 ‘전압 계수’와 관련이 있다. 즉, DC 전압을 인가할 때 유효 정전용량이 저하된다. C0G와 같은 상유전체 커패시터들은 이런 문제가 발생하지 않는다. 하지만 X7R이나 Y5V와 같은 강유전체 커패시터는 DC 전압을 인가할 때 손실이 발생한다. 이 때 몇가지 요소가 각 커패시터의 유형에 따라 손실 수준을 결정한다. 현재 손실을 평가하는 정확한 사양은 없으나, 경험상 세라믹 커패시터의 유전체층이 얇을수록 손실이 커진다. 즉 정격 전압이 낮거나 정격 온도가 낮으면 전압 계수가 높아진다.

이런 손실이 발생하는 이유는 유전체 재료의 전기 쌍극자와 관련이 있다. 세라믹 유전체는 전기 쌍극자를 개별 도메인으로 배열하는 결정 구조로 구성된다[그림 3]. 이런 도메인의 자발 분극은 DC 전압이 없을 경우에 발생한다. 이 분극으로 인해 유전체 재료는 높은 비유전율을 제공하게 된다.

[그림 3] MLCC DC 전압 바이어스, 쌍극자의 예 | 자료: KEMET

이제 커패시터에 DC 전압을 인가하면 도메인이 정렬되면서 전기장 방향으로 고정된다. 전압이 높을수록 더 많은 도메인이 고정된다. 이런 변화는 유전체층의 유전율을 감소시키며, 이는 에너지를 저장할 공간이 작아진다는 것을 의미한다. 즉, 더 적은 정전용량만 이용할 수 있게 된다.

K-SIM을 이용한 매개 변수의 단일 그래프화

앞에서 언급했듯이 일부 커패시터 업체는 이런 손실에 대한 개별 그래프를 제공한다. 디자이너들은 온도와 인가된 전압이 MLCC에 어떤 영향을 미칠지에 대해 많은 관심을 보일 것이다. 이것이 바로 KEMET이 K-SIM이라는 커패시터 매개변수 시뮬레이터를 제공하는 이유다. 이 시뮬레이터는 이런 매개변수를 단일 그래프로 통합해 보여준다[그림 4]. 이는 SPICE(Software Process Improvement and Capability dEtermination) 계산은 수행하지 못하지만, Pspice에서 사용할 수 있는 넷리스트를 제공할 수 있다.

[그림 4] K-SIM은 하나의 그래프에 여러 매개변수를 표시해 준다 | 자료: KEMET

K-SIM은 주파수나 임피던스에 대한 ESR의 그래프를 제공할 수 있으며, 주파수에 대한 정전용량의 변화나 리플 전류 계산, S- 파라미터, 넷리스트 등도 제공한다. 또한 세라믹의 경우 인가 전압에 대한 정전용량의 변화 등도 확인할 수 있다[그림 5].

[그림 5] K-SIM은 다양한 컨트롤을 제공한다 | 출처: KEMET

그래프를 선택하면 적용 전압과 애플리케이션 온도를 입력할 수 있는 컨트롤이 등장한다. 사용할 수 있는 여러 가지 다른 컨트롤이 있지만 가장 일반적인 두 가지 컨트롤은 온도와 바이어스 전압이다. 일부 고급 비교를 위해 ‘Compare Across Conditions’를 클릭하면 -55°C나 25°C, +125°C에서 단일 그래프를 통해 부품의 성능이 어떤 변화를 보이는지 확인할 수 있다.

결론

커패시터의 데이터시트는 성능에 대한 세부사항을 빠뜨리는 것으로 악명이 높으며, 대신 ‘일반적인’ 성능에 대한 단일 그래프 또는 각 매개 변수에 대한 개별 그래프를 제공한다. 하지만 성능은 단일 매개변수가 아니라 매개변수의 조합으로 측정된다.

KEMET 커패시터 매개변수 시뮬레이터는 변수의 조합을 단일 그래프로 시뮬레이션함으로써 이 문제를 해결하는 데 유용하다. 이 조합에는 임피던스나 주파수에 대한 ESR의 변화, 주파수에 대한 정전용량의 변화, 리플 전류 계산, S- 파라미터, 넷리스트 등이 있으며, 세라믹의 경우 인가 전압에 따른 정전용량의 변화와 같은 성능을 비교할 수 있다. 또한 각 조건에 대한 고급 비교까지 가능하다.

 

 

Written by KEMET & Provided by 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

 

[편집자 주] 본 기사는 글로벌 전자부품 유통회사인 마우저 일렉트로닉스 (Mouser Electronics)의 후원을 바탕으로 진행되는 EPNC의 단독 외부 기고입니다.

 

#커패시터#콘덴서#MLCC#수동소자#수동부품

신동윤 기자  dyshin@techworld.co.kr

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