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지난 시간에는 Murata의 PAC(Polymer Aluminum Capacitor)의 기본적인 내용에 대해서 소개했습니다. 

이번 시간에는 Murata PAC와 다른 종류의 커패시터를 비교함으로써 Murata PAC는 어떤 특징을 가지고 있는지에 대해서 소개하도록 하겠습니다. 

■ Murata Polymer Aluminum Capacitor : ECAS Series

 

Murata의 PAC는 낮은 ESR과 낮은 임피던스, 대용량이라는 특징을 가지고 있습니다.

또한 정전용량에 대한 DC Bias 특성이 없고, 온도 특성이 안정적이기 때문에 리플 흡수, 평활, 과도 응답 개선 성능이 우수합니다.

따라서 다양한 전원 공급 회로의 입출력단 전류의 평활 용도나 CPU 주변의 부하 변동에 대한 백업 용도로 사용되기에 적합합니다. 이로 인해, 사용되는 부품 개수의 삭감과 기판 면적 축소에 기여할 수 있습니다.

 

■ PAC vs Other Capacitor

여러가지 전자 기기의 메인 보드를 살펴보면 굉장히 다양한 커패시터가 있는 것을 보실 수 있습니다.

일반적으로 가장 많이 사용되는 커패시터로는 왼쪽의 그래프에서 보실 수 있듯이  탄탈 전해 커패시터(MnO2 Type,  Polymer Type), 알루미늄 전해 커패시터(전해질 Can 유형, Polymer Can Type, Polymer Chip Type) 그리고 MLCC가 있습니다.

 

아래의 표에서는 다양한 유형의 커패시터의 특성을 비교한 것을 볼 수 있습니다.

◎: excellent, ○: good, △: normal, X: bad

 

1) 낮은 ESR : PAC에 사용되는 전도성 고분자는 재료 자체의 저항이 낮고, PAC 내부의 적층 구조에 의해서 내부 요소들은 전기적으로 병렬로 연결되기 때문에 낮은 ESR을 가질 수 있습니다.

 

2) 수명 : 액체 전해질 Can Type의 커패시터는 내부에 액체가 들어있기 때문에 내부가 마름으로써 수명이 줄어들 가능성이 있습니다. 하지만 PAC는 Chip Type의 제품이기 때문에 내부 마름의 위험성이 없습니다. 그리고 탄탈 커패시터와 비교했을 때, 탄탈 커패시터는 내부에 크랙이 발생했을 때, 발화될 가능성이 높습니다. 이에 비해서 PAC는 내부에 크랙이 발생해도 고분자가 절연물화되기 때문에 발화까지 이어지지 않고 오랫동안 안전하게 사용할 수 있습니다.

 

3) 온도 특성 : PAC는 MLCC 및 액체 전해질형 알루미늄 전해 커패시터에 비해 재료 측면에서의 온도 의존성이 낮아 온도 특성이 매우 안정적입니다.

 

4) DC Bias 특성 : MLCC와 비교했을 때, PAC는 재료에 따른 압전효과가 없어서 DC Bias 특성이 매우 안정적입니다.

5)  큰 정전 용량 : PAC는 MLCC에 비해서 온도 특성 및 DC Bias 특성이 안정적입니다. 따라서 실제 사용 시 MLCC보다 PAC가 유효 용량이 더욱 높습니다.

 

6) 높은 전압 : PAC는 큰 용량과 낮은 ESR을 가진 제품에 대한 시장의 요구를 충족시킬 수 있는 제품입니다. 용량은 전압과 반비례하기 때문에 고전압 PAC의 용량은 다른 커패시터에 비해서 낮은 편입니다.

 

7) 소형 & 박형 : PAC 내부의 적층 구조를 통해서 내부 요소들은 전기적으로 병렬로 연결되어, 기존의 Can Type보다 얇고 낮은 두께를 가질 수 있게 해줍니다.

 

8) Acoustic noise : MLCC와 비교했을 때, PAC는 재료에 따른 압전효과가 없어서 Acoustic noise가 거의 발생하지 않습니다.

 

이제 앞서 언급한 6가지 유형의 커패시터의 전기적 특성을 비교해 보겠습니다. 여기서 모든 커패시터는 6.3V/100µF로 동일합니다

 

<주파수에 따른 Impedance, ESR 특성 비교>

위의 그래프에서는 다양한 커패시터의 주파수에 따른 임피던스와 ESR 비교 데이터를 보여줍니다. 일반적으로 커패시터의 ESR 또는 임피던스가 낮을수록 실제 회로에서 사용할 때 Smoothing 특성 또는 과도 응답 특성이 우수합니다. ESR과 임피던스가 가장 낮은 커패시터는 MLCC이고, 그 다음이 PAC입니다. MLCC는 BaTiO3 유전체와 전극이 여러 층으로 적층되어 있고, 등가 회로에서 각각의 층이 병렬로 연결되어서 ESR이 낮습니다. PAC의 경우도 여러 층의 알루미늄으로 구성되어 있기 때문에 낮은 ESR을 가질 수 있습니다. 다른 커패시터는 기본적으로 단일 요소로 구성되어 있기 때문에 ESR이 상대적으로 높은 경향이 있습니다.

 

<리플 전류에 의한 발열 특성 비교>

다음으로는 리플 전류에 의한 커패시터의 발열 특성을 입니다. 발열량은 ESR 및 커패시터의 물리적 크기과 같은 요인과 관련이 있습니다. 과도한 발열은 신뢰성과 수명에 악영향을 미칠 수 있습니다. 위의 그래프에서는 온도 상승이 10°C로 제한되었을 때 흐를 수 있는 전류의 양을 비교해 보았습니다. ESR이 가장 낮은 MLCC에서는 가장 큰 리플 전류가 흐를 수 있습니다. PAC는 MLCC보다는 ESR이 높지만, 다른 전해 커패시터에 비해서는 낮기 때문에 비교적 큰 리플 전류가 흐를 수 있습니다.

 

<온도 특성 비교>

다음은 온도 특성입니다. 위의 그래프에서는 온도에 따른 정전용량의 변화를 확인하실 수 있습니다. PAC 및 MnO2 Ta Cap의 경우 온도 변화 시 용량 변화가 거의 없습니다. 그러나, 일반적인 알루미늄 전해 커패시터는 전해액을 사용하기 때문에 저온에서 정격 용량을 가지는데 어려움이 있습니다. MLCC의 경우에는 유전체의 종류에 따라서 온도 특성이 달라지는데, 유전율이 높은 유전체로 이루어진 MLCC의 경우에는 온도에 따라서 정전용량의 변화가 큽니다. 이처럼 PAC는 안정적인 온도 특성을 가지고 있기 때문에 사용 환경에 크게 신경을 쓰지 않아도 괜찮습니다.

 

<DC Bias 특성 비교>

마지막으로는 DC Bias 특성 비교입니다. PAC를 포함한 전해 커패시터는 인가 전압이 변화해도 유전율이 변하지 않으므로 전압이 인가되어도 정전용량은 변화하지 않습니다. 유전체의 종류에 따라 다르지만, MLCC는 DC 전압이 인가될 때 재료의 구조적 변형에 취약합니다. 이는 사용되는 유전체의 유전율이 높을수록 특히 그렇습니다. 따라서 이런 MLCC에서는 DC Bias에 따라서 용량이 감소하게 됩니다.

 

 ■ 끝으로

Murata PAC는 다른 커패시터와 비교했을 때, 낮은 ESR과 비교적 높고 안정적인 정전용량을 가지고 있기 때문에 CPU 또는 FPGA 전원 라인과 같이 갑작스러운 부하 변동에 노출되는 전원 라인에서 전류 평활 및 과도 응답 특성을 개선하는 데 특히 적합합니다.

이처럼 각각의 커패시터는 고유한 강점과 약점이 있기 때문에 회로 설계 시에는 이러한 부분을 고려해서 회로를 설계해야 합니다.

 출처  

- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com

- 무라타, https://murata.com

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