ESD(Electrostatic Discharge, 정전기 방전)은 정전하가 순식간에 이동하는 현상입니다. 한 물체가 양이고 다른 물체가 음인 상태에서 둘이 접촉하게 되면, 둘은 전자의 균형을 유지하길 원할 것입니다. 한 물체에서 다른 물체로 전자가 급속하게 이동하는 것이 ESD입니다.
ESD는 전자회로 및 부품에는 적으로 여겨집니다. 전자 부품으로의 전하의 이동은 부품을 쉽게 손상시켜 사용할 수 없게 되며, 슬픈 점은 대부분 너무 늦게 서야 알게 된다는 것입니다.
이 부분에서 ESD 보호 커패시터가 중요하게 작용합니다. 회로가 무언가와 접촉해서 발생할 수 있는 불요 ESD를 흡수하기 위해 ESD 커패시터를 회로에 삽입합니다. 아래는 ESD 커패시터에 관한 좋은 게시글입니다:
본 게시글에서는 ESD 보호 커패시터의 선택 방법에 초점을 맞출 것입니다. 물론, ESD로부터 회로를 보호하는 방법은 매우 다양하며 커패시터는 경제적인 솔루션일 뿐입니다.
ESD 보호 커패시터를 선택할 때 사용해야 하는 세 가지 주요 파라미터가 있습니다:
DUT, 절연파괴 전압, 그리고 DC 바이어스
DUT(Device Under Test, 피시험 소자)
DUT(Device Under Test, 피시험 소자) 시험의 결과는 ESD 시험 회로에서 피시험 커패시터에 걸리는 유효한 결과 전압을 나타냅니다. 시험 회로는 아래 그림 1에 있습니다.
그림 1.
Vx = 결과 전압
Cx = DUT(피시험 커패시터)
Co = 충전 커패시터
Vo = 전압원
이 수식은 Vx와 Cx간의 상관관계를 보여줍니다. Vo와 Co를 일정하게 유지한다면, Vx와 Cx는 반비례할 것입니다. 따라서 Cx 값이 높을수록 Vx는 감소합니다.
2000pF 커패시터(Cx)에 6kV(Vo)의 ESD가 필요한 경우를 예로 들어 보겠습니다. 그리고 Co=150pF인 AEC-Q200 시험 방법을 사용하고 있다고 가정하겠습니다. DUT 결과 관계식에 따라 6kV가 인가되면 Cx에는 418.6V(Vx)만 걸립니다. 다음은 계산 과정입니다.
- Vx = (Co / Co + Cx) Vo
- Vx = (150pF / 150pF + 2000pF) x 6kV
- Vx = (.00000000015 / .00000000015 + .000000002) x 6000 Volts
- Vx = (.00000000015 / .00000000215) x 6000 Volts
- Vx = (.0697674418604651) x 6000 Volts
- Vx = 418.6 Volts
절연파괴 전압(Voltage Breakdown)
절연파괴 전압은 커패시터의 전압 레벨 강도를 찾는 데 사용되는 방법입니다. 고정된 전압 증가 속도(예를 들어 100V/s)로 커패시터가 고장 날 때까지 DC 전압을 인가함으로써 커패시터가 처리할 수 있는 최대 지속 전압을 찾을 수 있습니다. 따라서 절연파괴 전압이 Vx보다 큰 커패시터를 골라서 선정합니다.
DC 바이어스(Bias)
세라믹 커패시터에 DC 전압을 인가하면, 유효 정전 용량은 공칭 정전 용량과 다를 수 있습니다. 이런 이유로 DC 바이어스는 일반적으로 공칭 정전 용량으로부터의 정전 용량 변화를 백분율로 표현합니다. 아래는 DC 바이어스를 구하는 수식입니다.
DC 바이어스에서는 유전체가 큰 역할을 합니다. 물론 다른 설계 및 구조적 요인도 한몫을 합니다. C0G와 같은 Class 1 커패시터의 경우 변화가 거의 없는 반면, X7R/X5R과 같은 Class 2는 정전 용량이 처음에는 증가했다가 정격 정전 용량에 도달하면 지속적으로 감소합니다. 일반적으로 Class 2 유전체의 경우 DC 바이어스는 -10%에서 -70% 사이입니다. 인가 전압이 증가하면 유효 정전 용량은 감소할 것입니다.
ESD 시험 등급만으로 커패시터 값을 선택하는 것은 좋은 방법이 아닙니다. DUT, 절연파괴 전압 및 DC 바이어스의 영향을 고려한다면 보호 회로의 과도한 설계나 더 중요할 수 있는 과소 설계를 방지할 수 있습니다.
커패시터 등급에 대한 자세한 내용은 아래 게시글을 참조하시기 바랍니다:
게시글의 내용과 이미지는 TDK의 FAQ로부터 제공되었습니다.