커패시터: 이론 및 응용

May 26, 2023

커패시터는 회로 기판에서 가장 일반적으로 사용되는 구성 요소 중 하나입니다. 전자 기기(휴대폰에서 자동차까지)가 계속 증가함에 따라 커패시터에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 코로나19 팬데믹으로 인해 반도체부터 수동 부품까지 부품의 글로벌 공급망이 붕괴되었으며, 커패시터 공급이 부족해졌습니다1.

커패시터 주제에 대한 논의는 쉽게 책이나 사전이 될 수 있습니다. 먼저 전해 콘덴서, 필름 콘덴서, 세라믹 콘덴서 등 다양한 종류의 콘덴서가 있습니다. 그런 다음 동일한 유형 내에 다른 유전체 재료가 있습니다. 다양한 수업도 있습니다. 물리적인 구조로는 2단자형과 3단자형이 있습니다. 기본적으로 한 쌍의 Y 커패시터가 하나로 패키지된 X2Y 유형 커패시터도 있습니다. 슈퍼커패시터는 어떻습니까? 사실, 앉아서 주요 제조업체의 커패시터 선택 가이드를 읽기 시작하면 하루를 쉽게 보낼 수 있습니다!

이 기사는 기본 사항에 관한 것이므로 평소와는 다른 접근 방식을 사용하겠습니다. 앞서 언급했듯이 커패시터 선택 가이드는 공급업체 웹사이트3,4에서 쉽게 찾을 수 있으며 현장 엔지니어는 커패시터에 관한 대부분의 질문에 답할 수 있는 경우가 많습니다. 이 기사에서는 인터넷에서 찾을 수 있는 내용을 반복하는 대신 실제 사례를 사용하여 커패시터 선택 및 사용 방법을 보여 드리겠습니다. 커패시턴스 저하와 같이 커패시터 선택에 대해 잘 알려지지 않은 일부 측면도 다룹니다. 이 기사를 읽고 나면 커패시터 사용에 대한 좋은 감각을 갖게 될 것입니다.

하지만 먼저 가장 근본적인 질문인 커패시터란 무엇인지 답해 보겠습니다.

몇 년 전, 제가 전자 장치를 만드는 회사에 근무할 때 전력 전자 엔지니어를 대상으로 한 인터뷰 질문이 있었습니다. 기존 제품의 회로도에서 잠재적 후보들에게 “DC 링크 전해 콘덴서의 기능은 무엇입니까?”라고 질문했습니다. "칩 옆에 위치한 세라믹 커패시터의 기능은 무엇입니까?" DC 링크 커패시터는 에너지 저장에 사용되고 세라믹 커패시터는 필터링에 사용된다는 것이 정답이라고 예상됩니다.

우리가 찾고 있던 "올바른" 대답은 실제로 설계 팀의 모든 사람들이 장 이론이 아닌 단순한 회로 관점에서 커패시터를 보았다는 것을 보여주었습니다. 회로 이론의 관점에는 아무런 문제가 없습니다. 저주파(몇 kHz에서 몇 MHz까지)에서는 회로 이론이 상황을 매우 잘 설명하는 경우가 많습니다. 이는 낮은 주파수에서 신호가 주로 차동 모드에 있기 때문입니다. 회로 이론을 사용하면 그림 1과 같이 등가 직렬 저항기(ESR)와 등가 직렬 인덕터(ESL)가 주파수에 따라 커패시터의 임피던스를 변화시키는 커패시터를 볼 수 있습니다.

그림 1: 세라믹 커패시터 등가 회로의 Spice 모델과 임피던스 곡선

이 모델은 회로가 천천히 전환될 때 회로 성능을 적절하게 설명합니다. 그러나 빈도가 높아질수록 상황은 훨씬 더 복잡해지고 있습니다. 어느 시점에서 구성 요소에 비선형성이 나타나기 시작합니다. 간단한 LCR 모델은 주파수가 증가하면 한계가 있습니다.

오늘, 동일한 인터뷰 질문을 받으면 저는 장 이론 관찰 안경을 착용하고 두 커패시터 유형 모두 에너지 저장 장치라고 말할 것입니다. 차이점은 전해 콘덴서가 세라믹 콘덴서보다 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 것입니다. 그러나 에너지 전달의 경우 세라믹 커패시터는 에너지를 훨씬 더 빠르게 전달할 수 있습니다. 이는 칩이 주 전원 회로에 비해 스위칭 주파수와 스위칭 속도가 훨씬 높기 때문에 세라믹 커패시터가 칩 옆에 배치되어야 하는 이유를 설명합니다.

이러한 관점에서 우리는 커패시터에 대한 두 가지 성능 기준을 간단히 정의할 수 있습니다. 하나는 커패시터가 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지이고, 다른 하나는 이 에너지가 얼마나 빨리 전달될 수 있는지입니다. 둘 다 커패시터 제작 방법, 유전체 재료, 커패시터 연결 등에 따라 달라집니다.