회로설계에서 전해 콘덴서가 사용되는 목적은 여러 가지가 있는데, 그중에서 평활용으로 사용되는 이유가 가장 많을듯합니다. 약 10여년전 회로설계를 마치고 DR (Design Review)를 고객으로부터 요청받고 준비하는 과정 중 평활용 전해콘덴서의 ESR 값이 어떻게 되냐는 질문을 받고 대답을 하지 못하고 돌아와 온 부서에 화들짝 긴장을 하게 된 사건이 있은 뒤 ESR 값 때문에 설왕설래했던 기억이 있습니다. 그래서 이에 대해 자세히 정리해볼까 합니다.
1. ESR (등가 직렬 저항)) 이란?
이상적인 콘덴서의 용량 성분 이외에 존재하는 작용으로 충 방전 전류량이 많은 회로에서 사용되는 모든 커패시터는 ESR을 고려해야 되는데, 여기서 충방전이 잦은 리플 제거용 커패시터의 충방전 전류가 흐르는 곳은 ESR 저항이 최대한 작은 것으로 사용해야 한다는 결론에 이른다. 커패시터의 등가 직렬 저항 (ESR)은 매우 높은 주파수에서 또한 유전체 특성이 반영된 커패시터의 AC 임피던스로서 정의된다. 이는 온도와 주파수에 의해서 변동되고 커패시터의 품질을 결정짓는 중요한 요소 이기도하다.
혹은 어떤 이는쉽게 이해를 시키고자 그랬는지 콘덴서 내부 직렬 저항이라고 설명을 하기도 하는데, 이는 약간 다른 의미의 저항이다. 직류 저항이라는 것은 콘덴서의 충전된 전하가 장시간에 걸쳐 자연 방전되는 현상을 말하는 것이고, 이 또한 존재하는 현상이기는 하지만 ESR의 의미와는 조금 다르다.
주파수가 있는 조건에서 존재하는 저항 성분이다. 유전체의 특성에 의존하는데 유전체의 두께가 증가하면 그 ESR 은 증가하고, 전극 표면이 증가하면 ESR 값이 감소된다. 부품의 크기를 무한정 크게 만들 수 없는 환경을 고려해 본다면 알루미늄판 등 두 개의 금속판을 절연을 유지하면서 둘둘 말아서 제조하는 콘덴서의 특성상 용량 값이 큰 부품일수록 ESR 값이 더 커질 수 있다는 것이다.
세라믹 커패시터가 일반적으로 전해 커패시터보다 작은 ESR값을 갖는데 보통은 0.01~0.1 Ω 정도이고 전해 커패시터는 수 Ω 정도로 형성된다. 그래서 ESR 값이 낮은 커패시터를 사용해야 할 곳은 되도록 세라믹 재질의 부품을 사용한다. 지금은 고용량 세라믹 커패시터가 많이 출시되어 사용하는데 큰 어려움이 없으나. 10여 년 전 상황에서는 가격도 비싸고 고용량의 세라믹 커패시터가 희귀한 경우도 있었다. 그래서 커패시터 제조업체서 만들어진 Low ESR 시리즈의 부품이 출시되어 고가에 판매된 적도 있었다. 지금도 물론 사용되지만 가격은 약간 조정되어 별 차이가 없기도 한다. 가격적인 차이보다는 공간 활용 면에서 세라믹 커패시터가 더 많이 사용되는 실정이다. 그리고 칩 제조사의 레퍼런스 디자인도 세라믹 커패시터를 주로 사용하는 이유이기도 하다.
위에서 그림은 커패시터의 임피던스 Z와 주파수 F의 특성을 나타내는 그래프이다. f1 이하 대역은 1/ωC에 의하여 임피던스 Z가 저하하는 부분이고, f1~f2 대역은 ESR에 이해 형성되는 임피던스, 그리고 f2 이상 대역은 ωL에 의하여 임피던스 Z가 상승하는 부분이다. 우리가 전해콘덴서를 추가하여 리플을 제거하고자 한다면 f1~f2 대역 사이에서 제일 낮은 ESR 값이 적용되도록 리플의 주파수가 그 사이에 있어야 한다. 그보다 작거나 큰 대역에서 사용한다면 ESR 저항은 실제보다 큰 값으로 작용한다. 예를 들어 상용 전압을 트랜스를 거쳐 필요 전압으로 뽑아내고 반파 또는 전파 정류를 한 이후 평활용 전해콘덴서를 적용했다면 약 60~120Hz 이내에 들어갈 것이고, 그래프 상 f1이하 대역에 포함될 것이다. 이런 경우 그 회로에서는 예상치 못한 문제점이 발생할 수 있다.
2. ESR 이 왜 작아야 하나?
일반적으로 스위칭 레귤레이터의 기본회로를 보면 오른쪽 맨 마지막은 평활용 콘덴서를 사용하게 되는데, 여기서 인덕터를 지난 곳에 파형은 오른쪽 파형처럼 리플이 섞여있는 파형이 관측되고 이 성분은 커패시터의 충방전 전류가 흐르면서 결국은 리플 전류가 GND로 빠져나가 결국엔 리플 파형이 제거된 DC 형태의 파형이 얻어지게 된다. 여기서 중요한 점은 리플 전류가 결국 GND로 흘러간다는 것이다. 리플 전원이 항상 생성되는 곳이기 때문에 리플 전류 또한 회로가 동작되는 한 항상 전류가 흐르게 되는데, 이때 소모되는 전력량[W]은 I 2 (전류) x R(저항)으로 계산해 볼 때 전류는 리플 전압 크기에 종속되지만 저항은 더 작은 것으로 선택이 가능하다는 원리가 생성된다. 결국 저항을 줄임으로써 그 부품에 발열량을 줄일 수 있다는 것이다. 결국은 높은 저항과 전류에 의해 부품에 누적되는 발열량이 다르다는 것이고 또 부품 수명에도 상관이 있다는 것이다.
전해콘덴서에 리플 전류가 흐르면 콘덴서의 내부 손실에 의하여 발열이 되는데, 발생하는 열 [W]는 실제 1초당 0.24 I 2 X R로 나타낼 수 있다. 0.24라는 상수를 가지게 되는 이유는 유전율 특성에 기인하는 것으로 보인다. 발열이 심하게 되면 콘덴서 소자의 전해액 변질, 산화피막의 열화, 누설전류 증대 등의 현상이 일어나게 되어 콘덴서의 성능을 저하시키거나 고장을 일으키는 원인이 된다. 리플 전류로 인한 전체 용량의 감소는 유전체 저항을 증가시키게 되어 더욱더 발열을 촉진시킨다. 특히, 알루미늄 전해콘덴서는 다른 콘덴서에 비해 손실 값이 크기 때문에 리플 전류에 주의할 필요가 있다.
2. 발열이 누적되면 어떻게 되나?
전해콘덴서의 “고온 부하특성“라는 것이 있다. 일반적으로 최고 사용 온도에서 정격전압을 인가하여 가속적으로 시험을 실시하여 콘덴서의 신뢰성을 확인하는 시험을 말하는데, 이 시험을 행한 후에 콘덴서의 정전용량, 손실 값의 변화 그리고 누설전류의 변화 등을 확인한다. 일반적으로 고온 부하시험 후에는 정전용량의 감소, 손실 값의 증가, 누설전류의 감소 현상이 나타나며 돌발 고장으로 펑크(Punc), 쇼트(Short), 단선(Open) 그리고 발생가스(Gas)로 인한 폭파 등이 발생된다.
또한 전해콘덴서의 “무부하 특성(방치 특성)”라는 것이 있다. 일반적으로 최고 사용 온도에서 어떠한 전압을 인가하지 않고 방치된 상태에서 가속적으로 시험을 행하는 것을 말하는데, 고온 부하 시험과 마찬가지로 시험의 콘덴서 정전용량, 손실 값의 변화 그리고 누설전류의 변화 등을 확인하게 된다. 특성의 변화면에서는 고온 부하 시험과 비슷한 양상을 나타내는데, 누설전류는 오리혀 상승하는 현상이 나타난다. 이는 유전체인 산화알루미늄(Al2O3)에매우 활동성이 강한 전해액이 침투한 상태로 장시간 방치됨으로 인하여 산화알루미늄이 서서히 용해되어 내압이 저하되고 누설전류가 증대되기 때문이다.
사용 온도 범위가 정해져 있어서 그 범위 내에서 사용한다고 해도, 의도치 않게 누적되는 발열에 의해서 온도 계수가 달라지는 경우가 있다. 용량 온도특성(TC)이 규정된 온도 범위커패시턴스 값의 최대 변화를 말하는데, 일반적으로 커패시터 본체에 인쇄된 커패시턴스 값은 온도 25℃를 기준으로 측정되며 데이터 시트에 언급된 커패시터의 TC 온도 계수 이하 또는 이상에서 작동하는 애플리케이션에 대해 고려해야 한다. 일반적으로 온도 계수는 섭씨 100만 분의 1 단위 (PPM / ℃)또는 특정 온도 범위에 따른 백분율 변화로 표시된다. 그의 예는 COG, X7R, YUV 등 출시되는 제품의 시리즈로 구분하고 있다.
3. 데이터 시트에 ESR 표기가 없다.
최근 전해콘덴서 데이터 시트를 보면 ESR 값 표기가 있다. 10여 년 전 만해도 친절하게 "주파수 100kHz 에서 ESR 값은 얼마입니다." 이렇게 표기된 데이터 시트를찾아보기란 정말 어려웠다. 그리고 ESR, ESL을 측정 가능한 저렴한 계측기도 많이 보급이 되어서 간단하게 측정도 해볼 수 있게 되어 참으로 편해졌다. 그리고 제조사에 요구를 해서 별도의 시트로 측정 데이터를 확보하는 경우도 있다. 그런데 예전엔 그런 인프라가 안 되어 있기도 했고, 별도의 Low ESR 시리즈를 출시해서 그것을 사용하도록 유도하기도 했었다. 그리고 또 레퍼런스 회로에 사용된 콘덴서와 동일한 제품을 사용하도록 분위기가 만연해 있었다. 엔지니어 특성상 그대로 쓰라면 써 라고 하면 기분이 언짢아지는 것은 나뿐만은 아닐 듯 다 같은 마음일 것이다.
아래 그림은 검색에서 찾아낸 전해콘덴서 데이터 시트 일부분이다. 첫 번째 것은 최근 ESR 값을 각 용량별로 표기한 부분이다. 이렇게만 예전에도 정보제공이 되었다면 설계하기 참 편했을 텐데~
두 번째 것은 해당 부품의 데이터 시트에서 ESR 값을 구하는 공식을 소개했다. 여기서 중요한 것은 Dissipation Factor 물론 첫 번째처럼 친절하게 각 용량별 ESR 값을 제시하지 않았지만 제시한 공식에 의해서 추정치를 구할 수 있게는 했으니 그나마 다행이다. 마지막은 국내산 부품 제조사이고 별도의 한 페이지짜리 성적서가 검색되어 발췌를 해 봤다. 이 제조사가 예전에는 ESR을 별도로 표기하지 않았다가 측정값을 요구하는 많은 수요 때문에 별도로 제작한 것으로 보인다. 그런데 이 마저도 정보가 없었던 시절이 있었다. 그때는 자구책으로 허용 리플 전류를 발췌하고 그를 근거로 해당 회로에 예상되는 리플 전류를 어떻게 해서든 도출시켜 그 범위 안에서 사용된다는 증명을 했었던 기억이 난다. 지금 생각하면 정말 한숨이 나온다. 왜냐 하면 결국 ESR 값은 리플 전류와 연관되기 때문에 리플 전류가 많을 것으로 예상되는 부위에 사용해도 부품 사용 범위에 벗어나지 않는다는 것을 증명하던 때가 생각난다.
4. 콘덴서 적용 시 몇 가지 고민들
ⓐ ESR 저항이 작지 않은 콘덴서를 병렬로 여러 개 사용하면 ESR 이 작아지거나 또는 각 부품에 할당되는 리플 전류가 분산돼서 결국은 누적되는 발열 양이 작아지지 않을까?
같은 고민을 해본 사람이 있을지 모르겠지만 한동안 나는 고민을 해봤었다. 하지만 조금 깊게 생각해보면, ESR 저항은 DC 저항과 다른 점이 주파수가 존재한다는 것이고, 뿐만 아니라 리엑턴스 성분도 존재한다는 점이 다르다. 결론적으로는 저항을 단순히 병렬연결할 때처럼 반감되지 않고, 또한 리플 전류를 동등하게 나눠서 흘려보내기도 불가능하다는 결론에 다다른다. 실제로 저가로 출시된 컴퓨터 파워나 메인보드를 보면 고온이나 써지에 영향을 받아 여러 개 전해콘덴서의 배가 불러 부풀어 올라오거나 전해액이 누출된 것을 볼 수 있다. 그런 것을 보아 병렬로 연결된 콘덴서가 그런 환경적인 조건을 해결할 수 있는 것도 아닌 듯하다. 실제로 병렬로 여러 개를 연결해도 미지근한 미열은 각각의 콘덴서에 다 전달된다. 그것보다는 1/ωC에 의해서 커패시턴스가 증가되어 리플이 작아지는 효과는 볼 수 있다. 아마도 이 부분은 좀 더 고민의 시간이 필요할 듯하다. 아직 명확하고 계산적인 답을 스스로가 못 찾아서 일 것이다.
ⓑ 인덕터 바로 옆에 붙은 콘덴서 위치
옆에 그림에서 스위칭 레귤레이터설계 시 인덕터를 지나 바로 평활용 콘덴서를 배치하게 된다. 그런데 여기서 가장 발열이 높은 부품이 바로 인덕터이다. 높은 주파수의 리플이나 구형파의 성분이 인덕터에 높은 임피던스가 형성되면서 인덕터 양단에 기전력이 발생한다. 이때 인덕터에는 높은 열로 발산된다. 그런데 회로 위치상 또는 구조상 바로 평활용 콘덴서가 올 수밖에 없는 구조이다 보니 인덕터에 열은 모두 바로 옆 콘덴서에 옮겨가게 된다. 그럼으로써 콘덴서의 수명 단축, 불안정한 커패시턴스, 발진 등의 이상현상을 유발한다.
ⓒ 큰 용량의 평활용 콘덴서가 만능은 아니다.
어떤 디바이스에 입력되는 Vcc에 최소한의 리플 전압을 요구하는 경우가 있다. 이때는 오른쪽 그림처럼 인덕터나 비드 등의 부품으로 직렬연결 그리고 리플 제거용 콘덴서를 사용하는데 전원 소스 자체에 리플이 많다면 큰 용량의 콘덴서를 사용하게 된다. 이때 (+) 양극의 측면은 리플이 줄어드는 것이 보이기도 하고 많이들 신경 써서 설계를 하는데 대부분 GND 쪽은 소홀히 여긴다.
GND에 연결만 하면 모든 전위는 0으로 안정될 것으로 착각을 하게 되지만 어차피 많은 양의 리플 전류가 충전 방전이 된다는 것은 많은 전류가 (+) 플러스 라인과 마찬가지로 GND 라인 에도 흐르고 있다는 것을 잊어서는 안 된다.
무엇을 말하고 싶냐면, 리플 전류가 흐르는 GND 라인에 디바이스 GND와 공통 라인이 형성되고 결국 리플 전류의 충격으로 디바이스 GND도 안정되기 힘들다는 것이다. 이럴 때는GND 분리를 해줘야 하는데, GND 분리에 대해서는 다른 페이지를 통해서 좀 더 자세히 정리해 보겠다.
내 경우는 GND 자체가 원 포인트 지점에 가깝다면 그냥 연결해주고, 또 안정적인 GND가 멀다면 바로 옆에 콘덴서 GND와 분리해서 다른 GND와 연결했었다. 또는 중간에 Bead를 추가해서 연결해 주었다. 물론 Bead를 추가하더라도 원 포인트 GND 와는 직접 연결이 되어야 한다. 이렇게 콘덴서도 잘못 사용하면 고유의 효과를 낼 수 없기도 하고 또 필요 이상으로 오버 설계되는 경우가 있다.
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