하만(Harman) 세미콘 아카데미 24일차 - 전자회로 해석 및 설계(캐패시터, 앙페르 법칙, 전자기 유도법칙, 인덕터)

하만(Harman) 세미콘 반도체 설계 과정/전자회로 해석 및 설계

하만(Harman) 세미콘 아카데미 24일차 - 전자회로 해석 및 설계(캐패시터, 앙페르 법칙, 전자기 유도법칙, 인덕터)

semicon_circuitdesigner 2024. 4. 9. 12:11
728x90

[2024.04.09.화] 인천인력개발원 하만 세미콘 아카데미

전자회로 해석 및 설계

2. 에너지 저장소자

1. △R: 기생저항+접촉저항

  • 기생저항(Parasitic Resistance): 패턴 내에 존재하는 보이지 않는 저항
  • 접촉저항(Contact Resistance): 서로 접한 두 도체의 접촉면을 통해 전류가 흐를 때 그 접촉면에 생기는 저항, 고주파에서 기생 캐패시턴스와 기생 인덕턴스로 인해 접촉저항이 증가
  • cut-off frequency ω = 1 / (R+△R)C가 되므로, R이 매우 커야 저항 변동률이 작아짐
  • 신호 처리용 적정 저항(R)값: 수백Ω~수십kΩ

2. 캐패시터의 종류

  • 전해 캐패시터(전해콘덴서, 케미콘)
    • 유전체로 얇은 산화막, 전극으로 알루미늄 사용
    • 전극의 극성 존재
    • 장점: 1uF~수만uF로 비교적 큰 용량 / 매우 높은 정격 전압
    • 단점: 나쁜 주파수 특성(저속회로만 적용 가능) / 짧은 수명(전해액 기화)
  • 적층 세라믹 캐패시터(MLCC, Multi Layer Ceramic Capacitor), 칩 캐패시터
    • 유전체로 고유전율계 세라믹을 다층 구조로 사용
    • 전극의 극성이 없음
    • 응용: 전고체 배터리
    • 장점: 좋은 주파수 특성(고속회로에 적용 가능) / 긴 수명 / 온도특성 양호
    • 단점: 낮은 용량 / 낮은 정격 전압
  • 정격 전압(Rated Voltage): 인가할 수 있는 전압의 최대치

3. Capacitor 파라미터

  • 정격전압(Rated Voltage)
    • 캐패시터가 작동되는 온도 영역에서 연속적으로 인가될 수 있는 최대 동작 전압
    • Cap 양단에 인가되는 전압은 DC, DC+AC의 경우 0V를 기준한 최대(Peak)전압이 정격전압을 넘지 않아야 함
    • 순수 AC 혹은 Pulse의 경우 peak to peak 전압이 정격전압을 넘지 않아야 함
    • 이상전압도 정격전압 초과 불가
  • 내압전압(Withstanding Voltage / Dielectric strength)
    • Cap을 정격 전압 내에서 사용 중 회로에 발생되는 순간 이상 전압이 발생할 때 정상적으로 작동 가능한 순간 최대 허용 전압
    • 내압전압 = 120%(or 150%)*정격전압

4. 전자기 유도법칙

  • 암페어(앙페르) 법칙: 전류가 흐르면 주변에 자기장이 유도되는 현상
  • 전자기 유도법칙: 자기장이 변하면 전류가 유도되는 현상

5. 투자율( Permeability, μ )

  • 자기력선이 흡인되는 정도 or 자속밀도를 증가시키는 정도
  • 자화: 자성체를 자장 속에 위치시키면 물질 내부의 분자 배열이 변화
  • 자장 H: 코일 내에 형성되는 H는 코일의 권선수, 전류에 비례하며 코일의 길이에 반비례
  • 자속밀도 B: 물질의 투자율과 자장에 비선형적으로 비례
  • 전자석에서 코일 내부에 자심(Magnetic core, Core) 위치 - 주로 Ferrite 사용

6. 인덕터 개요

  • 인덕터(Inductor)
    • 코일(Coil)이라고도 함
    • 금속 도선을 투자율이 높은 물질(코어)에 감은 형태
  • 유도용량(Inductance)
    • 자기장을 유도하는 용량
    • 기호: L
    • 단위: [H] (Henry, 헨리)
  • 인덕터 동작 특성
    전류가 변하는 교류에서 전압 존재 -> 저항 존재 / 전류가 일정한 직류에서 전압 0  ==> 저항 0

    • 전류 충방전 중: L에 교류전류 흐름 -> V ≠ 0, 유도 리액턴스 ≠ 0
    • 전류 충방전 후: L에 직류전류 흐름 -> V = 0, 유도 리액턴스 = 0 "Short"
  • 유도 리액턴스(Inductive Reactance)
    • 인덕터는 교류 전류의 흐름 방해
    • 단위: [Ω]
    • 유도 리액턴스의 계산
      - Z_L: 유도 리액턴스 [Ω]
      - f: 주파수 [Hz]
      - L: 인덕턴스 [H]
  • 실습
    1. RLC 프로젝트를 열고 PSpice Resources-Simulation Profiles-SCHEMATIC1-tram 활성화
    2. 회로 구성
    3. 전류 마커 찍기
    4. 시뮬레이션 돌려 파형 확인(캐패시터의 전압 충방전 그래프와 유사)
      전압 그래프가 캐패시터의 전류 그래프와 유사할 것임을 유추 가능
    5. Voltage Differential Marker을 이용하여 인덕터 양단의 전압차 측정을 위해 마커 설정
    6. Simulation창에서 Plot-Add plot to window를 통해 위아래에 V, I 그래프 표현
      Cap의 V-t그래프 형태가 인덕터의 I-t그래프로, Cap의 I-t그래프 형태가 인덕터의 V-t그래프로 나타남

 

7. 인덕터의 에너지 저장

  • L은 인가한 전류와 동일 방향으로 전류 충전
  • 충전된 에너지 = 자기(자계) 에너지

8. 인덕터 종류

  • 토로이드 인덕터
    • 도넛 모양의 인덕터
    • 코어로 투자율이 큰 연자성재료 사용
    • 크기에 비해 큰 인덕턴스
    • 자기장은 코어 내에 형성
  • 칩 인덕터: 소형 전자회로에 사용
    • Multilayer Chip Inductor
    • Wire wound Inductor

 
9.  인덕터와 캐패시터를 이용한 2차 LPF 실습

  1. 회로 구성
     
  2. AC 프로파일로 변경


  3. dB Voltage Marker 위치
  4. Peak점: +35dB값(증폭) -> LC 공진현상
  5. 계산을 통해 증명
  6. 타임 도메인을 보기 위해 변경
  7.  Voltage Marker을 인덕터 양쪽에 찍기
  8. Simulation Settings에서 Maximum Step Size를 60n로 줄여 더 촘촘하게 표현할 수 있도록 변경
  9. 사인파 형태 확인
  10. PULSE의 주파수는 33.3Hz인데 공진이 발생한 이유 분석
    • PULSE의 edge부분에 진폭이 아주 작은 고주파 성분(158kHz) 존재 -> 공진 발생

 

728x90
반응형
저작자표시 비영리 변경금지

'하만(Harman) 세미콘 반도체 설계 과정 > 전자회로 해석 및 설계' 카테고리의 다른 글

하만(Harman) 세미콘 아카데미 27일차 - 전자회로 해석 및 설계(Noise Coupling, 다이오드, 쇼트키 다이오드, 제너 다이오드, TVS, Varistor)  (2) 2024.04.15
하만(Harman) 세미콘 아카데미 25일차 - 전자회로 해석 및 설계(댐핑저항, Signal Integrity, Power Integrity, EMI & EMS & EMC, ESR, ESL, 비즈, 커플링 캐패시터)  (2) 2024.04.12
하만(Harman) 세미콘 아카데미 23일차 - 전자회로 해석 및 설계(캐패시터 특성, 전달함수, 캐패시터 연결, Highpass filter, Lowpass filter, Bandpass filter)  (24) 2024.04.08
하만(Harman) 세미콘 아카데미 21일차 - 전자회로 해석 및 설계(OrCAD, PSpice, 최대 전력전달, 위상, 캐패시터, 유전율)  (24) 2024.04.04

'하만(Harman) 세미콘 반도체 설계 과정/전자회로 해석 및 설계'의 다른글

  • 현재글하만(Harman) 세미콘 아카데미 24일차 - 전자회로 해석 및 설계(캐패시터, 앙페르 법칙, 전자기 유도법칙, 인덕터)

관련글

티스토리툴바