[ 바이패스 콘덴서의 필요성 ]

1. 개요

2. 바이패스 콘덴서의 필요성

2.1 바이패스 콘덴서가 없다면?

2.2 전원의 소비전류는 일정하지 않다.

2.3 정지시 전류와 동적 전류

2.4 등가전력용량의 충전에 필요한 전하량을 구한다.

2.5 스스로 오동작을 일으키는 IC

2.6 바이패스 콘덴서는 전류의 잔돈

3. 정전용량

3.1 바이패스 콘덴서의 역활과 필요한 정전용량

3.2 정전용량을 정한다.

3.3 바이패스 콘덴서의 내압과 용량 오차를 정한다.

3.4 콘덴서의 기종을 정한다.

3.5 바이패스 콘덴서에 적합한 콘덴서의 종류

3.6 바이패스 콘덴서는 만능이 아니다.

3.7 바이패스 콘덴서와 대용량 콘덴서

3.8 고 리플형 전해콘덴서를 병렬로 접속한다.

4. 결론


1. 개요
바이패스 콘덴서는 전원-GND간에 삽입되는 전원 decoupling용 바이패스 콘덴서의 속칭이다.
바이패스 콘덴서라는 몇칭을 가진 콘덴서가 있는것은 아니다.
이제 전원에 바이패스 콘덴서는 상식이지만,그 이유나 용량값은 정해져있기 때문에 라고 생각하는 사람이 많을것이다. 바이패스 콘덴서는 회로도에 기입되어 있지 않은 경우도 있으며,경우에 따라서는
회로를 제작하는 쪽에서 기판패턴 등에 맞추어 갯수나 위치등을 정하는 전형적인 항목인 것이다.
그러서 먼저 바이패스 콘덴서의 존재 이유에 대한 설명이 필요하다.

2. 바이패스 콘덴서의 필요성
2.1 바이패스 콘덴서가 없다면?
만일 바이패스 콘덴서를 생략하면 무슨일이 일어날까?
대답은 회로의 종류와 실장상태에 따라 IC가 발진하여 과열한다고 하는 최악의 경우를
비롯하여,가끔 오동작이 일어나는 정도,결국 아무일도 없이 동작해 버리는 회로까지 다종다양하다.
다만,어떤문제가 일어날 것이라는 사실을 알고 있으면서 바이패스 콘덴서를 생략하는 것과 전혀
알지 못하는 상태에서 붙이지 않은 것은 언뜻 보기에는 결과는 같아도 큰 가치의 차가 있다.

2.2 전원의 소비전류는 일정하지 않다.
보통의 디지털/아날로그 IC에는 전원이 필요하지만,IC의 소비전류는 고정저항에 전류를 흘릴때와
같이 언제나 일정하지 않다.

2.3 정지시 전류와 동적 전류
74act04의 특성을 보면 저소비 전류를 장점으로 하고 있는 CMOS 로직뿐이며 정지시 소비전류는
최대라도 40uA로,매우 작은 값이 기재되어 있다.
실제로 IC를 동작시키면 각 인버터의 출력은 교대로 "H"/"L"을 반복하지만 이 "L" --> "H",
또는 "H"-->"L"로 변화하는 순간에 비교적 많은 전원 전류가 흐르는 것이다.
이순간 전류의 정체는 관통전류와 IC 내외의 기생용량(게이트 용량등)을 충방전하는 전류이다.
IC의 내부는 대부분 트랜지스터로 구성되어 있으며, 이 IC의 경유는 인버터 1개당 6개의
트랜지스터(MOSFET)가 사용되고 있다.
개개의 트랜지스터는 아주 작지만, 만들어 넣을때에 원래 필요가 없는 기생용량도 함께 나오고 만다.
이 기생용량은 원리적인 것으로, 완전히 0으로 할 수는 없다.
특히 MOSFET의 경우는 전류 드라이브 능력이나 증폭도를 크게 할수록 기생용량이 커지는 경향이 있다.

2.4 등가전력용량의 충전에 필요한 전하량을 구한다.
데이터북에는 관통전류와 기생용량의 합계를 "등가전력용량"이라는 표현으로 기재되어 있는데
이 IC의 경우는 하나의 인버터 소자당 30pF 이다.
그러면 이 30pF의 등가 전력용량을 1회 충전하는데에는 어느정도의 전하가 필요한가?
이것에는 유명한 콘덴서의 충전 전하의 기본식 Q = C.V 를 이용하여 계산한다.
이 회로의 전원전압은 5V 이므로 30pF x 5V = 150pC 으로 된다.
또한 이 회로에서는 6개의 인버터 모두가 동시에 변화를 일으키기 때문에 IC 전체는 그 6배인 900pC의
전하가 사용되는 것이다.
이 예에서는 16MHz의 클록을 통과시키기 때문에 1초간에 1600만 회나 등가 전력용량의 충방전을
반복하게 된다. 즉, 900pC x 16MHz = 14.4mC 의 전하가 1초마다 충방전되며,이것은 전류의 정의
그 자체이므로, 결국 14.4mA의 전류 증가가 있다는 것이 분명하다.
잘 알고 있겠지만 이값은 앞의 정지시 소비전류보다 훨씬 큰 것이다.
실제로 각 인버터의 출력은 다른 IC나 패턴의 부유용량을 구동하기 때문에 소비전류는 더욱 증가하게 된다.
다시 앞서 언급한 바와 같이 900pC라는 전하의 충방전은 서서히 이루어지는 것이 아니라,
"H"/"L"의 변화 순간에 펄스 형상으로 실시된다. 그러면 이 "변화의 순간"이란 어느정도의 시간일까?
그것을 알 수 있는 실마리는 데이타북의 "전파지연시간" 즉,신호 입력에 대한 출력의 지연시간에
있어서 변화의 시간은 이보다 짧게 된다.
이 IC의 전파 지연시간은 4ns로 매우짧은 시간이므로, 이제부터 전원에 순간적으로 흐르는 전류를
기준으로, 900pC/4ns = 225mC/s 즉,225mA 이상이라는 값이 나온다.
2.5 스스로 오동작을 일으키는 IC 일반적인 장치에서는 발열이나 노이즈의 혼입, 그리고 보수성을 생각하여
전원장치는 기판으로부터 약간 떨어진 곳에 설치하여 설치하는 것이 보통이다.
그렇게 하면 전원 전류는 전원의 출구에서 전선을 통하여 기판에 도달하고, 거기서 기판의 패턴을
통하여 겨우 IC에 도착하게 된다.
그러나 전선이나 패턴에 낮다고는 해도 저항 성분이 있다. 가령 저항성분이 0.1 ohm 이었다고 하자.
다음에 이기판에는 U1 이외에 100개 정도의 IC가 탑재되어 있으며, 각각의 순간 전류도 거의 U1과
같다고 한다.이 회로 전체가 동기회로에서 모든 IC가 동시에 순간 전류의 합계는 225mA의 100배,
즉 25A 이상에 이르게 된다. 만일 이 순간 전류에 아무런 대책을 세우고 있지 않다고 하면,
이순간에는 0.1 ohm의 저항성분에 의해 25A x 0.1 ohm = 2.5V 나 되는 전압강하를 일으키며,
평소에는 5V였던 전압이 이순간에는 1/2인 2.5V 이하로 되고 만다.
그런데, U1의 안정되게 동작하는 전원전압 범위는 5V 0.5V 이므로 오동작은 필연적이다.
즉회로가 가만히 있을때는 문제가 없지만 회로가 동작하려고하면 스스로 전원전압을 낮추어 버리며,
자학적으로 오동작을 일으키는 것이다.
이현상은 ns order의 순간에 일어나기 때문에 테스터 등으로 찾아낼 수 없다.
실제 전선이나 패턴의 배선에서는 저항성분에 더하여 기생 인덕턴스 성분도 무시할 수 없기 때문에
더욱 전원이 불안정하게 되어 오동작의 확률이 높아진다.
그러면, 어떻게 하면 이와 같은 순간 전압강하를 방지할 수 있을까?
물론 해결법의 하나는 여러가지 문헌에 실려 있듯이 저항 성분이나 인덕턴스 성분을 작게하기 위해
굵은 전선이나 패턴을 사용하는 것이다.
이것은 효과적인 방법이지만 물리적인 제약도 있어 초전도라도 사용하지 않는한 자연히 한계가 있다.
또 하나의 해결법은 각각의 IC에 전용전원을 하나씩 붙이는 방법이다.
물론 정직하게 이것을 실행하면 전원 투성이의 기판이 되어 버린다.

2.6 바이패스 콘덴서는 전류의 잔돈
U1등의 IC는 출력이 변화하는 극히 짧은 순간에 생각외로 많은 전류를 소비하기 때문에 전원전압이
낮아져 오동작을 일으킨다는 것을 알았다.
그러나 U1이 많은 전류를 필요로 하는것은 ns order가 짧은 시간만이며, 그외에는 대부분의 전류를
소비하지 않는다.
이것은 IC가 필요로 하는 순간만 전류를 꺼내고 그 외의 시간은 자신을 충전하는것과 같은 충전지를
각 IC에 붙여두면 되지 않을까. 그래서 등장한 것이 바이패스 콘덴서이다.
실제로는 그러한 빠른 레이트로 충방전할 수 있는 전지는 존재하지 않으므로 대신에 콘덴서를 사용한다.
즉 바이패스 콘덴서는 평소에 전원으로부터 일정한 전하를 축적해 두고,필요할 때에는 신속하게
그전하를 IC에 인도하는 이른바 전류의 잔돈과 같은 존재인 것이다.
이와같이 바이패스 콘덴서의 동작을 이해하면 바이패스 콘덴서에 요구되는 조건이 다음과 같은 것을
당연히 알수 있게 된다.

1) 바이패스 콘덴서는 각 IC 바로곁에 두지않으면 마치 잔돈을 집에 두고 온 것과 같으므로 의미가 없다.
2) 바이패스 콘덴서의 고주파 특성이 상당히 좋지 않으면 사용의 편리성이 좋지 않은 잔돈과 같이
ns class가 짧은 시간에 내용물을 꺼낼수 없다.
3) 어느정도의 정전용량이 있는 바이패스 콘덴서가 아니면 너무 작은 잔돈과 같이 유사시에 도움이
되지 않는다.

3. 정전용량
3.1 바이패스 콘덴서의 역활과 필요한 정전용량
우선 U1의 출력이 "H" 또는 "L"로 가만히 있을때,처음에 바이패스 콘덴서에 축적되어 있는 전하량 Q1은
바이패스 콘덴서의 정전용량을 Cp,전원전압을 5V라 하면 Q1 = Cp x 5V 로 된다.
다음에 U1의 IC를 동작하기 위해, 인버터 1소자당 30pF,6소자 합계 180pF의 등가 전력용량을 빠른
속도로 충전하게 되었다고 하자.
그러나 이때 멀리있는 전원으로부터는 바로 전하가 도달하지 않고, IC의 등가 전력용량의 충전에
필요한 모든 전하를 바이패스 콘덴서가 일시 부담했다고 하자.
그렇게 하면 U1의 동작 종료 직후에는 바이패스 콘덴서로부터 충전에 소비된 양의 전하가 빠지고
바이패스 콘덴서의 전압은 미소한 전압 "V"만 강하하여 5-V(V)가 된다.
이때의 바이패스 콘덴서에 남아있는 전하 Q2는 Q2 = Cp x (5-V) 이고 또한 인버터가 얻은 전하의 양 Q3는
Q3 = 190pF x (5-V) 로 된다.
그런데 전원으로부터 아무런 원조를 받을 수 없었기 때문에 U1의 동작전후의 전하량은 변함이 없으므로
Q1 = Q2 + Q3 이다.
이식에 위의 3식을 대입하여 변형하면,
V/5 = 180pF/Cp + 180pF 으로 되며 결국 전압 강하율은 등가 전력용량과 바이패스 콘덴서의 용량비만으로
정해진다는 것을 알았다.
그런데 U1 의 권장 동작전압은 5V 10%이지만 강하전압 델타V의 상한을 약간 여유를 두고 전원
전압의 -5%까지 허용된다고 하자.
이것을 윗식에 대입하면 0.05 >= 180pF /(180pF + Cp)에서
Cp >= 3420pF이면 된다는 것을 알 수가 있다.

3.2 정전용량을 정한다.
그런데 콘덴서의 용량값도 저항기의 저항값과 같이 E계열로 line up되어 있다. 저항의 경우와
다른점은 E24 계열과 같이 섬세하고 치밀한 수치가 갖추어져 있는 콘덴서는 드물고 대개는 더욱
E 수가 작은 E3나 E6 용량값의 제품밖에 입수할 수 없는 경우가 많다.
단순히 생각하면 3240pF에 가까운 E계열의 용량값은 E3 계열속에 속하는 4700pF로 된다.
현실의 기판에서 0.01uF ~ 0.1uF 정도의 바이패스 콘덴서를 흔히 볼 수 있는것이다.

3.3 바이패스 콘덴서의 내압과 용량 오차를 정한다.
전원에는 전압 오차가 있거나 동작시에 스파이크 노이즈가 실릴 가능성도 있으므로 6V 정도의 내압
으로는 약간 불안하다. 그래서 내압의 전원전압의 2배인 10V 이상으로 한다.
다음의 용량 오차에 대하여 생각한다.
앞서 언급한 바와 같이 기판내에서 가장 많은 전류를 먹는 IC에 필요한 바이패스 콘덴서의 용량은
0.047uF 정도이므로, 공칭값 0.1uF의 콘덴서에,비록 -50%의 오차가 있다고 해도 아직 여유가
있다. 또한 반대로 용량이 증가한다는 것은 전압강하가 감소되어 환영할만한 일이므로 용량을
얼마든지 증가 해도 좋은 것이다.

3.4 콘덴서의 기종을 정한다.
정전용량 : 0.1uF
내압 : 10V 이상
허용오차 : -50% + 얼마든지
. ns 클래스의 응답을 위해 고주파 특성이 좋을것
. 많이 붙이기 때문에 가급적 소형이고 저가격일 것.

3.5 바이패스 콘덴서에 적합한 콘덴서의 종류
필름형 콘덴서는 실용적이지만 주파수 특성이 약간 떨어진다.
전해 콘덴서의 주파수 특성은 예외로 하며,탄탈 콘덴서는 서지가 많은 바이패스 콘덴서로 사용하면 위험하다.
따라서 고유전율의 디스크형 세라믹 콘덴서나 그것을 적층 구조로 한 적층 세라믹 콘덴서가 좋다.

3.6 바이패스 콘덴서는 만능이 아니다.
바이패스 콘덴서가 만능은 아니다. 현재 흔히 사용되는 전원장치에는 스위칭 레귤레이터나 3단자
레귤레이터가 있다.
이들은 출력전압을 감시하면서 스위칭의 타이밍이나 출력 트랜지스터의 등가저항을 제어하는 피드
백형의 전원장치로 비록 출력전류가 변화해도 최대 전류를 넘지 않는한 출력전압은 일정하게 유지되는 것이다.

3.7 바이패스 콘덴서와 대용량 콘덴서
전원은 피드백의 안정성 관계로 피드백 속도를 그다지 빠르게 설정하고 있지 않다.
따라서 전압강하가 보증되는 것은 수 KHz ~ 수십 KHz 이하의 주파수 대역으로 한정된다.
한편 회로 전체가 16MHz와 같은 높은 주파수에서 동작하는 동기식의 회로라도 모든 IC가 같은
동작을 하는것은 아니므로 많은 IC가 동시에 동작하는 순간과 그렇지 않은 순간이 여러가지
타이밍으로 오기 때문에 전원 소비전류의 주파수 성분은 아주 넓은 주파수 대역을 가진다.
그런데, 앞의 0.1uF의 바이패스 콘덴서는 등가 전력용량을 급속 충전하는데 대략 수백kHZ 이상의
고주파 전류에 대해서는 효과적이다.
그러나 100개의 바이패스 콘덴서 전부를 합쳐도 10uF,강하전압 0.25V 시에 공급할 수 있는 총전
하량으로 2.5uC 밖에 없기 때문에 비교적 주기가 긴 전류 변동을 백업하려고 해도 필요할 때 쓸수 있는
전하량을 다 써버리고 만다.
그래서 약간 큰 콘덴서를 적층 세라믹과 병용하여 사용한다.

3.8 고 리플형 전해콘덴서를 병렬로 접속한다.
예를 들면 기판 전체에서 주기 100us 이하에서 1A 이하의 전류 변동이 있더라도 전원전압 변동을
0.25V 이하로 억제하는 것을 조건으로 필요한 콘덴서의 용량을 계산해 보기로 하자.
우선 전류 변동의 보상에 필요한 전하량은 1C/s x 100us = 100uC 이다.
그렇게 하면 전압 변동을 0.25V 이하로 억제하기 위해서는
100uC /Cq <= 0.25V 로되어 Cq는 400uF 이상으로 계산된다.
그래서 E3계열에서 470uF를 선택, 내압은 앞서 기술한 것과 마찬가지로 10V 이상으로 한다.
이 콘덴서는 수 kHz ~ 수백 KHz의 중간 주파수대를 사용하기 때문에 주파수 특성의 조건은 그다지
엄격하지 않지만 통상적인 알루미늄 전해콘덴서에서는 충전 전류에 의한 발열이 우려되므로 가능
하면 고 리플 전해형을 사용해야 한다.
이 콘덴서의 담당 주파수는 낮기 때문에 패턴의 인덕턴스 성분에 그다지 영향을 주지 않으므로
이 콘덴서는 기판 내에 1개만 있으면 충분하고 삽입 위치에 너무 신경 쓸 필요도 없다.

4. 결론
바이패스 콘덴서는 전원 디커플링의 콘덴서의 속칭으로 이것이 없으면 IC는 자신이 발진하거나
오동작을 일으키는 일이 있다.
간단한 시뮬레이션 계산으로부터 바이패스 콘덴서에 요구되는 성질은 IC 바로옆에 붙이게 되며,
고주파 특성이 좋고, 필요 충분한 용량을 가지며, 소형이고 저가격이라는 것을 알았다.
그래서 0.1uF,25V 의 적층 세라믹 콘덴서를 IC마다 최단거리로 붙이게 되었다.
이 콘덴서의 고주파 임피던스를 정하는 것은 배선 길이에 의한 코일분이므로, 칩형이 이상적이며
리스선이 붙은 경우는 리드선이 가급적 짧아 지도록 실장한다.
이 콘덴서의 허용 오차는 -20%/+80%로 나쁜 것이지만, 여유를 가진 용량 설정으로 문제없이 사용할 수 있다.
또 이 콘덴서는 온도 특성이 극단적으로 나쁘고, 용량의 전압 의존성 등도 무시할 수 없으므로,
바이패스 콘덴서 이외의 용도에는 적합하지 않다.
또한 중간 주파수 영역을 보상하기 위해 470uF,10V의 고 리플 대응형 전해 콘덴서 1개를 기판에 추가하게되었다.