바이패스 콘덴서의 필요성

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.

바이패스 콘덴서의 필요성

바이패스 콘덴서가 없을시 회로의 종류와 실장상태에 따라 IC가 발진하여 과열한다고 하는 최악의 경우를 비롯하여, 가끔 오동작이 일어나는 정도, 아무일도 없이 동작해 버리는 회로까지 다종다양하다.

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. 이 저항 성분 때문에 100개 정도의 IC가 탑재되어 있다면 전압강하를 일으키며 평소에는 5V였던 전압이 이순간에는 1/2인 2.5V 이하로 되고 만다. 즉 회로가 가만히 있을때는 문제가 없지만 회로가 동작하려고하면 스스로 전원전압을 낮추어 버리기에 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.
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.

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.

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

바이패스 콘덴서가 만능은 아니다.
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.
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.

결론
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 추가하게 되었다.

가장 기본적인 개념은
1. R은 직류, 교류 둘 다 전류가 흐른다.
2. C는 교류(주파수가 높을수록)만 흐르고, 직류(주파수 = 0)는 흐르지 않는다.
3. L은 직류만 흐르고, 교류는 흐르기 힘들다.

아래와 같은 회로가 있을 때 입력으로 직류와 교류를 넣어준다면.

파란 화살표 부분에서 교류 성분은 GND를 통해 모두 빠져나가고(BYPASS) 직류 성분만 남는다.
BYPASS는 어떤 신호를 바로 지나가게 만든다는 의미이다. 주로 전원 LINE 과 GND 사이에 붙여 전원에 실린 고주파 노이즈를 제거 하여 직류의 안정을 위해서 사용된다.
Logic IC의 신호가 H->L, L->H로 변이 될때 발생하는 스파크성 고주파 노이즈를 제거해 준다. 또 한 RS232, 프린터 포트 등의 출력단에도 적은 용량의 콘덴서를 붙여 필요없는 고주파 성분을 제거하기도 한다.

참고)보통 104는 바이패스용으로 사용되고, 100uF/250V 전해 콘덴서는 필터용으로 사용된다.
1. 바이패스용은 IC마다 전원단자에 사용(반드시 세라믹을 사용해야 하고, 그것도 되도록 SMD Type권장)
2. 필터용은 전원초입(정류회로 혹은 DC공급단자)에 붙이는 것이 바람직 하다.

참고) 커플링 커패시터
바이패스나 커플링은 동일한 캐패시터라고 할 수 있고, 다만 용도가 다르게 사용하는 것이라고 할 수가 있다.
*바이패스 : 1 특정 주파수에 공진해서 그 주파수의 노이즈 성분을 GND로 흘린다.
                2 특정 주파수 성분만 다음 블록으로 흘려주는 역활
*커플링 : 주로 하단과 다른단을 결합시켜주는 역할

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