스위칭 조정기에 적합한 유형의 출력 커패시터 선택

Aug 18, 2023

이 시리즈의 이전 기사에서는 강압 스위칭 조정기의 전기적 동작을 조사하고, 초기 인덕터 크기 조정에 대한 지침을 제공하고, 인덕터 전류 및 인덕턴스 미세 조정에 대해 논의했습니다. 이제 LTspice 시뮬레이션과 아래 회로도(그림 1)를 사용하여 커패시터 특성과 스위치 모드 벅 컨버터 성능 간의 관계를 살펴보겠습니다.

스위치 모드 조정기의 인덕터를 사용하면 온/오프 스위칭 동작을 통해 램프 업/램프 다운 전류 파형을 생성할 수 있습니다. 그러나 인덕터 전류의 (잠재적으로 상당히 큰) 변화에도 불구하고 부하로 흐르는 전류와 부하 전체의 전압이 안정적으로 유지되는 방식으로 전하를 저장하고 방출하려면 출력 커패시턴스가 필요합니다. 아래 플롯(그림 2)은 C1에 매우 작은 값을 사용하여 출력 커패시터를 사실상 제거할 때 어떤 일이 발생하는지 보여줍니다.

그러면 스위치 모드 조정기의 출력 커패시터가 중요한 필터링 기능을 수행한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 이 부품은 커패시터 유형과 커패시턴스 값에 모두 주의하여 신중하게 선택해야 합니다. 이 기사에서는 커패시터 유형에 중점을 둘 것입니다. 다음에는 가치에 대해 논의하겠습니다.

저전압 전자 장치에 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 커패시터 기술은 세라믹(다층 세라믹 커패시터를 의미하는 MLCC라고도 함), 알루미늄 전해 및 탄탈륨입니다. 아래에는 스위칭 전원 공급 장치와 관련된 품질을 강조하면서 각각의 장단점을 요약했습니다. 이는 일반화이며, 본질적으로 일반화는 간결성과 단순성을 위해 어느 정도 정확성을 희생한다는 점을 명심하십시오.

스위칭 레귤레이터 설계의 추세는 더 낮은 출력 커패시턴스를 허용하는 더 높은 스위칭 주파수를 지향하는 것입니다. 이로 인해 세라믹은 출력 커패시터에 더 적합한 선택이 됩니다. 이 주제에 대해 더 많은 정보를 원하는 사람들은 관심 있는 세라믹 커패시터 유형에 대한 내 가이드를 찾을 수 있습니다.

전반적으로 세라믹 커패시터가 가장 유용하다고 생각합니다. 세라믹을 피해야 할 타당한 이유가 있는 경우에만 알루미늄 전해질이나 탄탈륨을 고려합니다.

출력 커패시터 유형 선택에 가장 큰 영향을 미치는 특성은 적어도 부분적으로는 우선순위에 따라 달라집니다. 그러나 전기적 성능에 초점을 맞추고 있다면 등가 직렬 저항(ESR)이 아마도 고려해야 할 가장 중요한 요소일 것입니다.

스위치 모드 컨버터 회로에서는 일반적으로 ESR이 낮을수록 좋습니다. ESR이 높을수록 출력 전압 리플이 높아지고 효율이 낮아집니다. 또한 조정기가 지정된 출력 전압을 유지하기 위해 사용하는 제어 루프의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수도 있습니다. 그러나 이론적으로는 더 높은 ESR 커패시터를 염두에 두고 스위처의 제어 루프를 설계할 수 있으므로 ESR이 낮을수록 안정성이 항상 더 좋다고 말할 수는 없습니다. 명심해야 할 중요한 사실 중 하나는 커패시터 ESR이 주파수에 따라 일정하지 않다는 것입니다. 회로의 작동 주파수에 해당하는 ESR 값을 사용해야 합니다.

기성 스위처를 사용하는 경우 데이터시트에 커패시터 부품 번호 예시나 권장 ESR 범위가 포함되어 있을 것입니다. 특히 데이터시트 지침이 제한적이거나 사용할 수 없는 경우 성공적인 커패시터 매개변수를 식별하는 데 시뮬레이션이 도움이 될 수 있으며, 이상적인 커패시터에 ESR을 추가하여 시뮬레이션이 실제 전기 동작과 더욱 일치하도록 만들 수 있습니다.

실제 커패시터에 대한 보다 완전한 모델에는 ESR과 등가 직렬 인덕턴스(ESL)가 모두 포함됩니다. 바이패스 커패시터에 대한 시리즈 2부에서 ESR 및 ESL에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.

다음 플롯(그림 3)은 이상적인 출력 커패시터(ESR = 0Ω, ESL = 0H)를 사용하여 그림 1에 표시된 스위처 회로의 출력 리플을 나타냅니다.

이제 동작이 0805 세라믹 커패시터의 동작과 더 일관되도록 출력 커패시터를 수정해 보겠습니다. 등가 직렬 저항을 10mΩ으로 설정하겠습니다. 이는 스위처의 1.5MHz 작동 주파수에서 세라믹 커패시터에 적합한 값입니다. 새로운 VOUT 트레이스는 아래 그림 4에 표시되어 있으며 수직 및 수평 축에 대해 동일한 설정을 사용하여 직접적인 시각적 비교를 더 쉽게 만듭니다.