1. 개요
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.
2. 바이패스 콘덴서의 필요성
2.1 바이패스 콘덴서가 없다면?
만일 바이패스 콘덴서를 생략하면 무슨일이 일어날까?
대답은 회로의 종류와 실장상태에 따라 IC가 발진하여 과열한다고 하는 최악의 경우를 비롯하여,가끔 오동작이 일어나는 정도,결국 아무일도 없이 동작해 버리는 회로까지 다종다양하다.
다만,어떤문제가 일어날 것이라는 사실을 알고 있으면서 바이패스 콘덴서를 생략하는 것과 전혀 알지 못하는 상태에서 붙이지 않은 것은 언뜻 보기에는 결과는 같아도 큰 가치의 차가 있다.
2.2 전원의 소비전류는 일정하지 않다.
보통의 디지털/아날로그 IC에는 전원이 필요하지만,IC의 소비전류는 고정저항에 전류를 흘릴때와 같이 언제나 일정하지 않다.
2.3 정지시 전류와 동적 전류
74act04의 특성을 보면 저소비 전류를 장점으로 하고 있는 CMOS 로직뿐이며 정지시 소비전류는 최대라도 40uA로,매우 작은 값이 기재되어 있다.
실제로 IC를 동작시키면 각 인버터의 출력은 교대로 "H"/"L"을 반복하지만 이 "L" --> "H", 또는 "H"-->"L"로 변화하는 순간에 비교적 많은 전원 전류가 흐르는 것이다.
이순간 전류의 정체는 관통전류와 IC 내외의 기생용량(게이트 용량등)을 충방전하는 전류이다.
IC의 내부는 대부분 트랜지스터로 구성되어 있으며, 이 IC의 경유는 인버터 1개당 6개의 트랜지스터(MOSFET)가 사용되고 있다.
개개의 트랜지스터는 아주 작지만, 만들어 넣을때에 원래 필요가 없는 기생용량도 함께 나오고 만다. 이 기생용량은 원리적인 것으로, 완전히 0으로 할 수는 없다.
특히 MOSFET의 경우는 전류 드라이브 능력이나 증폭도를 크게 할수록 기생용량이 커지는 경향이 있다.
2.4 등가전력용량의 충전에 필요한 전하량을 구한다.
데이터북에는 관통전류와 기생용량의 합계를 "등가전력용량"이라는 표현으로 기재되어 있는데 이 IC의 경우는 하나의 인버터 소자당 30pF 이다. 그러면 이 30pF의 등가 전력용량을 1회 충전하는데에는 어느정도의 전하가 필요한가?
이것에는 유명한 콘덴서의 충전 전하의 기본식 Q = C.V 를 이용하여 계산한다. 이 회로의 전원전압은 5V 이므로 30pF x 5V = 150pC 으로 된다.
또한 이 회로에서는 6개의 인버터 모두가 동시에 변화를 일으키기 때문에 IC 전체는 그 6배인 900pC의 전하가 사용되는 것이다. 이 예에서는 16MHz의 클록을 통과시키기 때문에 1초간에 1600만 회나 등가 전력용량의 충방전을 반복하게 된다. 즉, 900pC x 16MHz = 14.4mC 의 전하가 1초마다 충방전되며,이것은 전류의 정의 그 자체이므로, 결국 14.4mA의 전류 증가가 있다는 것이 분명하다.
잘 알고 있겠지만 이값은 앞의 정지시 소비전류보다 훨씬 큰 것이다.
실제로 각 인버터의 출력은 다른 IC나 패턴의 부유용량을 구동하기 때문에 소비전류는 더욱 증가하게 된다.
다시 앞서 언급한 바와 같이 900pC라는 전하의 충방전은 서서히 이루어지는 것이 아니라, "H"/"L"의 변화 순간에 펄스 형상으로 실시된다.
그러면 이 "변화의 순간"이란 어느정도의 시간일까?
그것을 알 수 있는 실마리는 데이타북의 "전파지연시간" 즉,신호 입력에 대한 출력의 지연시간에 있어서 변화의 시간은 이보다 짧게 된다. 이 IC의 전파 지연시간은 4ns로 매우짧은 시간이므로, 이제부터 전원에 순간적으로 흐르는 전류를 기준으로, 900pC/4ns = 225mC/s 즉,225mA 이상이라는 값이 나온다.
2.5 스스로 오동작을 일으키는 IC
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.
가령 저항성분이 0.1 ohm 이었다고 하자. 다음에 이기판에는 U1 이외에 100개 정도의 IC가 탑재되어 있으며, 각각의 순간 전류도 거의 U1과 같다고 한다.이 회로 전체가 동기회로에서 모든 IC가 동시에 순간 전류의 합계는 225mA의 100배, 즉 25A 이상에 이르게 된다. 만일 이 순간 전류에 아무런 대책을 세우고 있지 않다고 하면, 이순간에는 0.1 ohm의 저항성분에 의해 25A x 0.1 ohm = 2.5V 나 되는 전압강하를 일으키며, 평소에는 5V였던 전압이 이순간에는 1/2인 2.5V 이하로 되고 만다.
그런데, U1의 안정되게 동작하는 전원전압 범위는 5V 0.5V 이므로 오동작은 필연적이다.
즉회로가 가만히 있을때는 문제가 없지만 회로가 동작하려고하면 스스로 전원전압을 낮추어 버리며, 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.
그러면, 어떻게 하면 이와 같은 순간 전압강하를 방지할 수 있을까?
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.
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