전원 부 바이패스 커패시터를 다는 이유(펌)

바이패스 캐패시터는 왜 다는가?????!! 

<상식> 미국인들은 바이패스 캐패시터를 디커플링(decoupling) 캐패시터라고 한다.

우리는 습관적으로, 74LSXX TYPE은 2~5개에 1개, 74HCXX TYPE은 5~10개에 1개씩... 램, 롬에는 1개씩 
특히 DRAM 에는 무조건 1개씩 단다고 알고 있다....
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<달아야할 바이패스 캐패시터의 용량계산>
IC는 TTL로 되어있다.
Data Book을 들여다보면, 기생용량과 등가 용량 등으로 표기되어 있는 부분을 잘 살펴보기 바란다. 그리고 측정 조건 등에는 정전용량 CL로 표기되어 있다. 이제부터 이것을 잘 해석하면 우리의 궁금증을 풀어줄 것이다.

흔히 많이 사용하는 TTL 중에 74LS04를 보자. 이건 너무나 유명(?)한 NOT GATE가 6개 들어 있는 놈이다. 스위칭 특성에 보면 VCC 5V, 25℃라고 되어 있고, CL=15PF 일때 tr 6ns 라고 되어 있다. ( 여기서 한가지 첨언하자면 절대로 메이커의 Data Book을 100% 믿지 말라는 얘기이다. 경향을 얘기한 것이지 반드시 똑같다는 얘기가 아니다. 특히 원래 설계했을 때와 다른 세컨드 소스를 써서 만들었을 때 특히 중요하다. 마진이 부족한 설계를 했을 때 어떤 메이커의 것을 쓰면 잘 되는데 어떤 메이커의 것을 쓰면 안되고 전압이 4.98v 이면 오동작하고 5.0v 이면 잘 동작한다는 요상스런(초보자의 한계) 경우에 봉착하고 보면 한숨만 나온다.) 다시 본론으로 돌아 와서 등가용량 15pf 라는 것은 not gate 한 개의 등가적인 용량이다. 따라서 6개의 게이트를 다 쓴다고 가정하면 

15pf X 6 = 90pf 라는 계산이 나온다.

다시 말해서 1개의 게이트를 움직이려면(전하 용량) 15pf의 전하량이 필요하다는 얘기이다. 전하량을 구하는 공식은 ... 열심히 책을 뒤적거린 결과 다음과 같았다.

Q = C X V (모르는 분은 책 찾아보세요)

74LS04를 5V에서 동작시키므로 not gate 한 개의 구동에 필요한 전하량은 

15PF X 5V =75pC (pico coulomb)이다.

그러므로 6개의 gate를 구동시키려면 

75pC x 6 = 450 pC 이다.

그런데 74LS04를 만약 20MHz Cystal을 발진시키고 버퍼로 전부다 사용을 한다고 가정을 하자. 그렇다면 아래와 같이 된다.

450pc X 20mhz = 9.0 mC의 전하가 충 방전이 된다는 얘기이므로 

9mA의 전류가 흐른다는 얘기이다. 하지만 실제는 다른 IC를 구동해야 하고 또 pcb 패턴의 부유 용량을 구동해야 하기 때문에 훨씬 더 많은 전류가 흐르게 된다. 6개의 게이트가 동시에 움직일 때 전하의 충 방전 시간은 어느 정도의 속도로 이루어지는가 그것은 Data Book에 보면 tpd( Propagation delaytime의 약자)를 보면 알 수 있는데 74LS04의 경우 표준적으로 6ns로 나와 있다. H=>L로 변화 할 때 순간적인 전류를 계산 해보자. 

450pc( 6개 게이트 등가 정전용량 ) / 6ns = 75mC/s

최소 75mA 이상의 (부하 ic 와 패턴 용량을 제외했으므로) 전류가 흐른다는 것을 알았다. 놀랍지 않은가 단지 6ns 동안 순간 소비 전류 용량은 75mA 가 필요하다는 얘기가 된다.
여기 극단(?)적인 예를 하나 들어 보기로 하자. 전원으로부터 pcb 패턴을 경유해서 ic 에 전원이 공급되고 있다. 이때 pcb 패턴의 저항이 0.4옴이 있다고 하자. 기판에는 100개의 ic 가 있고 적어도 74ls04 정도 이상의 순간 전류를 소비하고 모든 ic 가 동시에 움직이는 동기 회로라고 가정을 하자. 이제 계산할 시간이다.

75mA x 100 (ic) =7.5A 이상이 되고 pcb 패턴의 저항 성분 0.4옴에 의해서 7.5A x 0.4(ohm) = 3V나 되는 전압 강하가 일어나서 기판의 ic 들은 겨우 2v의 전원으로 먹고살아야 하는 비극(?)적인 사태를 맞이하게 된다. 
단지 6ns 만에.. 6ns 라는 시간의 오동작은 웬만한 스코프로는 거의 잡아내기가 불가능(?)하다.
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잠깐! 여기서 우리는 왜 pcb를 작업 할 때 가능한 한 vcc 와 gnd 패턴을 굵게 해야 하는지 원인 한가지를 알게 되었다. ic 가 배고파서 쓰러지지 않게 해야쥐...이...
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ic들의 권장 동작 조건은 보통 5v + ,- 10% 정도이므로 오동작은 필연적이다. 위의 경우는 한가지 예로 알기 쉽게 예를 든 것이지만 실제 회로에서는 100개의 ic 가 아니더라도 훨씬 고속이고 대 전류 용량을 소비할 경우 ,또는 전원이 부실 할 경우에도 얼마든지 발생 가능한 실제 상황이다. (가끔씩 원인 모르게 맛이 갈 경우 전원부터 의심을 할 것. 전원은 모든 전자회로의 근원이다. 적어도 시스템의 10% 정도의 가격은 책정을 해야한다.) 그래서 저는 민생용이 아닐 경우는 여건이 허락하는 한 최소 3배를 쓰기를 권하고 싶다. 
다시 부연 설명을 하자. 그렇다면 ic 마다 전원을 공급하는 것이 가장 이상(?)적이다
하지만 현실적으로 그렇게 한다는 것은 불가능하다,-COST 면에서나 회로 효율 면에서 배보다 배꼽이 더 크다.
그래서, 대안으로 나온 것이 우리의 호프 바이패스 캐패시터이다. 이후 저는 바이패스 캐패시터라는 표현대신에 훨씬 의미가 명확한 디커플링 캐패시터라는 용어도 쓰기로 한다. ic 가 ns order의 대 전류를 요구하므로 그렇게 빠른 응답을 할 전지도 없거니와 ic 개별로 보면 대부분의 경우 동작하는 순간에만 보충을 해주면 되므로 캐패시터에 멀리 있는 전원에서 받아서 충전 한 후 ic 가 배고파하면 잽싸게 주면 만사 ok이므로 ic 옆에 캐패시터를 달았고 그런 목적으로 사용하는 캐패시터를 bypass, decoupling capacitor(condensor)라고 한다.

이제 우리는 bypass, decoupling capacitor(condensor)의 정체를 알았다

근데 어떤 놈을 얼마만한 용량을 달아야 하는가 하는 의문이 뭉게뭉게 생기지 않는가. 아 인간의 호기심은 어디서 끝날 것인가... 그럼 일단 필요 최소 조건을 알아보자.

1> 고속이어야 한다.(고주파 특성이 좋아야 한다.ns 에 응답해야 하므로)
2> 적정한(?) 용량이어야 한다. 많은 건 좋지만 모자라서는 안된다. 
3> 가격이 싸고 가급적 크기가 작아야 한다.
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그래서 우리는 pcb를 만들 때 디커플링 캐패시터를 최대한 ic 에 가까이 붙여야 하는 이유중 한가지를 알았다.
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74ls04에 필요한 캐패시터의 용량을 계산 해 보기로 하자. nat gate 1개에 15pf 가 필요하고 합이 6개이므로 총 75pf 가 필요하다. 74ls04 가 일시적으로(6ns) 동안 필요한 전하를 디커플링 캐패시터에서 보충했다고 가정하면...

Q1 = CP * 5V 로 된다.

74LS04가 H->L, L->H로 ASSERT 되었다고 하면 디커플링 캐패시터는 5V - 델타 V (기호를 쓸 수가 없어서 말로 때웁니다.) 만큼 전압 강하가 일어나고 디커플링 캐패시터에 남아 있는 전하량을 Q2 라고 할 때 
Q2 = Cp X (5 - 델타 V)이고 <= Q= C X V 공식을 기억하시라.. 
74LS04가 사용한 전하량 Q3는 Q3= 75PF X (5V -델타 V)이므로 원래 디커플링 캐패시터의 전체 전하량 Q1은 Q1= Q2+Q3이므로 아래와 같이 변형 대입하면 

ΔV / 5 >= 75PF / (CP+ 75PF)이므로 

전압 강하율은 등가 전하 용량과 디커플링 캐패시터의 비만으로 결정이 된다. 74LS04의 권장 동작 조건은 +10 -10 % 이지만 전원 마진을 생각하여 +10, -5%로 잡자. 이것을 윗 식에 대입하면 
0.05 >= 75PF / (75PF +CP)이므로 
(75PF +CP) >= 75PF /0.05
(75PF +CP) >= 1500PF
CP >= 1500PF -75PF이므로
CP >= 1425PF 가 필요하다는 것을 알았다.

하지만 1425PF 라는 캐패시터는 없으므로 2000PF 로 하면 된다.

그런데 실제 회로에서는 74LS04만 쓰는 것이 아니고 그보다 전류 용량이 큰 CPU, ROM, RAM ,PLD, TTL에서도 다비트 사용 등이 많이 있으므로, 실무 차원에서 볼 때 IC 마다 용량의 값이 다른 캐패시터를 일일이 다는 것은 곤란하므로 용량이 큰 것은 문제가 되지 않으므로 모든 디커플링 캐패시터를 1개의 값으로 통일해서 사용하는 것이다.

그런 이유로 현실적으로는 0.01~0.1UF (103,104)의 세라믹 또는 적층 세라믹 캐패시터를 사용하는 것이다.

보통 TTL만을 볼 때는 가장 큰 용량이 필요한 놈이 0.047UF 정도가 필요 한데
약간의 여유와 온도 상승시의 용량의 감소 (부온도 계수) , 캐패시터의 오차 등을 감안하여 
0.1UF를 사용하게 된 것이다.

하지만 요새 100핀 이상의 QFP등등의 IC를 보면 전원 핀이 여럿 나와 있는 것을 볼 수 있는데 이것은 그만큼 전원을 많이 사용한다는 증거이므로 당연히 여러 개의 디커플링 캐패시터가 필요로 한다. 메이커에서 강력히 권장합니다.

마지막으로 0.1UF 이 개별 IC를 위한 것이라면 전체적으로는 전원 변동에 대비해서 전해 캐패시터를 달도록 하고 통상 1개면 되지만 기판이 A3 사이즈 같이 클 경우에는 같은 용량이라도 2개 또는 3개로 나누어 다는 것이 더 효율적이다.
이 캐패시터의 용량은 전체 소비전류를 구해서 여분을 더 한 후 값을 정 해야겠지요.

마지막으로 쓰는 김에 조금 더...

아까 전원을 3배정도로 권한다는 말을 했는데 그 이유는 대략 다음과 같다.

스위칭 파워를 예로 들면 ... 싸구려 길거리(?)표 파워가 아니라면 정격이 표시되어 있는데 
5V 3A..자세히 보면 (@25'C) 라는 표시가 있다.
양심적인 업체..일 경우.. 그리고 좀더 보면 5V 1A @60'C 라고 되어 있다

이 얘기는 파워의 주변 공기 온도가 60도 이면 5V 3A 짜리가 5V 1A 밖에 출력이 안 나온다는 얘기인데 
문제는 양심 불량인 업체는 실제로는 용량이 더 안나오는 경우가 대부분 이다. 단가를 구매에서 많이 깍으면 
더 심각해 질 수도 있다. 싸게 납품을 해도 남으려면 우선 EMI 관련 부품을 빼거나 자재를 미제에서 
중국산으로 둔갑하게 된다. 이런 문제는 실제로 비일비재 하게 일어나는 문제이다. 
싼 게 비지떡이라는 옛 말이 하나 틀린 게 없다. 단언하건데 파워는 전자기기의 심장인 것이다.

이런 빌빌한 심장을 가진 기기가 겨울에 설치되었는데 잘(?) 동작 하다가 여름이 되자 가끔씩 맛이 가기 시작하더니 간헐적인 에러가 빈번하게 발생하였다. 처음에는 미처 전원을 생각지 못하여 한동안 헤매다가
결국은 전원이 열이 올라가자 효율이 떨어져서 전체 동작의 소비전력의 임계값에 이르렀는데 마진이 부족하여 공장의 전원 사정에 의하여 변동을 흡수하지 못하고 그 영향이 직접적으로 나타난 경우였다.

결국 파워를 용량이 널널한 놈으로 교체하여 해결했지만 결국 출장비와 인건비 추가 교체 비용 등을 생각하면 싼 파워가 결코 싼 게 아니었던 것이다.

싸다고 좋다말고 하자 없나 다시 보자..

현명한 여러분은 저와 같은 우를 범하지 마시기를...