전압이 걸리면 커패시턴스를 잃는 세라믹 커패시터

태그: 커패시터

증상

컨버터의 출력 리플이 설계에서 예측한 값의 몇 배이거나, 필터의 차단 주파수가 계산값과 크게 다릅니다. 그런데 벤치의 LCR 미터는 그 세라믹 커패시터를 정격값에 가깝게 읽습니다.

원인

X7R이나 X5R 같은 2종(class 2) 코드는 온도 범위에서 커패시턴스가 얼마나 변할 수 있는지만 나타냅니다. 커패시터 양단의 직류 전압에 따른 변화는 이 코드로 알 수 없으므로, 해당 부품의 데이터를 확인해야 합니다 [Analog Devices (Maxim Integrated), Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7 µF Capacitor Becomes a 0.33 µF Capacitor]. 직류 전압만으로도 커패시턴스가 정격값의 작은 일부로 줄어들 수 있습니다. 출처의 예에서는 정격 6.3 V인 4.7 µF Y5V 커패시터에 상온에서 5 V를 걸면 0.33 µF만 남습니다 [Analog Devices (Maxim Integrated), Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7 µF Capacitor Becomes a 0.33 µF Capacitor]. X7R이나 X5R 부품이 커패시턴스를 얼마나 잃는지는 부품마다 다릅니다. 그 글의 데이터에서는 케이스가 클수록 덜 잃었고, 케이스 크기와 유전체가 같으면 정격 전압에 따른 차이가 없는 경우가 많았습니다 [Analog Devices (Maxim Integrated), Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7 µF Capacitor Becomes a 0.33 µF Capacitor]. 온도에 따라 그 값은 또 바뀝니다. 직류 전압 없이 작은 측정 신호만 쓰는 LCR 미터로는 이 감소가 보이지 않습니다.

리플은 실제로 남아 있는 커패시턴스를 따릅니다 (출력 전압 리플). 예제 벅 컨버터의 출력 커패시터가 10 µF이면 리플은 12.5 mV(피크-피크의 절반)이지만, 동작 전압에서 4 µF만 남는다면 리플은 31.3 mV입니다.

확인 방법

동작 직류 전압을 건 상태에서 커패시턴스를 재십시오. 직류 바이어스를 더할 수 있는 임피던스 측정기로 재거나, 바로 그 부품 번호에 대한 제조사의 직류 전압 대 커패시턴스 곡선을 보십시오. 회로에서는 측정한 리플로부터 커패시턴스를 역산해 정격과 비교하십시오.

해결

커패시터의 크기는 동작 직류 전압과 극한 온도에서의 커패시턴스로 정하고, 그 값은 부품 자체의 데이터에서 얻으십시오. 후보 부품들도 코드가 아니라 그 데이터로 비교하십시오 [Analog Devices (Maxim Integrated), Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7 µF Capacitor Becomes a 0.33 µF Capacitor]. 그 커패시턴스가 모자라면 남는 커패시턴스가 리플 조건을 만족할 때까지 커패시터를 병렬로 추가하십시오.

참고 자료

• [Analog Devices (Maxim Integrated), Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7 µF Capacitor Becomes a 0.33 µF Capacitor]: 2종 코드로는 직류 전압에 따른 변화를 알 수 없고, 직류 전압만으로도 정격값의 작은 일부만 남을 수 있으며, 그 데이터에서는 케이스가 클수록 덜 잃었습니다.
• 실제 수동 소자: 직렬 저항, 자기 공진, 출력 리플.
• 저온: 저온에서 달라지는 벤치 측정.