커패시터 ESR 완벽 가이드: 정의, 적정 값, 측정 방법

커패시터 ESR(등가 직렬 저항)은 실제 커패시터 임피던스의 저항 성분으로, 리플 전류를 리플 전압과 열로 바꿉니다. 모든 커패시터의 정전 용량이 정상으로 측정되는데도 전원 공급 장치가 뜨거워지거나 설계 예측보다 출력 리플이 커지는 흔한 원인이 바로 ESR입니다.

이 가이드에서 다루는 내용:

• 커패시터 ESR이란 무엇이며 어디에서 비롯되는가
• ESR이 리플 전압, 자체 발열, 레귤레이터 안정성을 좌우하는 이유
• 커패시터 기술별로 좋은 ESR 값은 어느 정도인가
• 데이터시트에서 ESR을 찾는 방법과 ESR 미터 또는 LCR 미터로 측정하는 방법
• 높은 ESR의 증상을 알아보는 방법

그림: ESR과 ESL이 직렬로 연결된 이상적인 커패시터 ESR 등가 회로

커패시터 ESR이란 무엇인가?

실제 커패시터는 이상적인 정전 용량에 등가 직렬 저항(ESR)과 등가 직렬 인덕턴스(ESL)가 직렬로 연결되고, 누설 저항이 커패시터와 병렬로 연결된 모델로 나타낼 수 있습니다. ESR은 옴(Ω) 또는 밀리옴(mΩ)으로 표시하며, 커패시터 직렬 경로의 저항 손실을 나타냅니다.

ESR은 여러 원인에서 비롯됩니다.

• 전극 및 단자 저항: 금속 포일, 내부 탭, 전극, 단자가 모두 커패시터의 직렬 저항에 기여합니다.
• 전해질 저항: 액체 알루미늄 전해 커패시터에서는 전해질의 이온 저항이 ESR의 주요 원인이 될 수 있으며, 전해질의 전도도는 온도에 따라 크게 변합니다.
• 유전 손실: 유전 손실로도 에너지가 소모되며, 이는 커패시터 전체의 ESR과 손실 계수에 영향을 줍니다.

커패시터 ESR vs ESL, 임피던스, 손실 계수

데이터시트의 각 용어는 커패시터 동작의 서로 다른 측면을 설명합니다.

커패시터 ESR이 중요한 이유는?

ESR을 통해 흐르는 리플 전류는 1암페어마다 전압 강하와 열을 만들어 내기 때문에 커패시터 ESR이 중요합니다. 전원 공급 장치에서 ESR은 출력 리플을 키우고, 커패시터가 감당할 수 있는 리플 전류를 제한하며, 레귤레이터 안정성에도 영향을 줄 수 있습니다.

ESR이 리플 전압에 미치는 영향

연속 전도 모드(CCM)로 동작하는 벅 컨버터에서 커패시터의 ESR은 커패시터 리플 전류에 ESR을 곱한 값과 거의 같은 리플 전압 성분을 만듭니다.

전체 출력 전압 리플은 다음과 같이 간단히 추정할 수 있습니다.

ΔV ≈ ΔI × ESR + ΔI / (8 × f × C)

여기서:

• ΔI는 인덕터 리플 전류(피크 투 피크)
• f는 스위칭 주파수
• C는 출력 정전 용량

예시: 100kHz 벅 컨버터에서 피크 투 피크 리플 전류가 0.5A이고 출력 커패시터가 100µF라고 가정해 보겠습니다. 용량성 리플 항은 약 6.25mV입니다. 같은 100kHz에서 측정한 예시 ESR 값을 사용하면 다음과 같습니다.

이 예시는 ESR이 높으면 출력 리플에서 ESR 성분이 용량성 성분보다 훨씬 커질 수 있음을 보여 줍니다.

주파수 특성과 PCB 레이아웃이 용도에 적합하다면, 저ESR 세라믹 커패시터나 폴리머 커패시터를 병렬로 추가해 출력 커패시터 뱅크의 실효 ESR과 임피던스를 낮출 수 있습니다.

자체 발열과 허용 리플 전류

리플 전류는 커패시터 내부에서 전력도 소모합니다.

P = I²rms × ESR

1A rms 리플 전류는 ESR 100mΩ에서 100mW를 소모하지만, ESR 10mΩ에서는 10mW만 소모합니다. 데이터시트의 허용 리플 전류는 명시된 주파수와 주위 온도에서 허용되는 내부 온도 상승을 기준으로 정해집니다. 액체 알루미늄 전해 커패시터는 내부 온도가 높아질수록 수명도 짧아집니다.

커패시터 ESR이 너무 낮을 수도 있는가?

그렇습니다. 일부 리니어 레귤레이터에서는 그렇습니다. 일부 LDO 레귤레이터, 특히 PNP 패스 트랜지스터를 사용하는 구형 설계는 출력 커패시터의 ESR이 만드는 제로(zero)를 이용해 제어 루프를 안정적으로 유지합니다. 이러한 레귤레이터는 최소 ESR과 최대 ESR을 모두 규정합니다.

이런 설계에서 탄탈 출력 커패시터를 ESR이 매우 낮은 세라믹 커패시터로 교체하면 레귤레이터가 발진할 수 있습니다. ESR이 더 낮은 부품으로 교체하기 전에 레귤레이터 데이터시트에서 안정적인 ESR 범위를 확인하십시오.

커패시터 ESR은 주파수와 온도에 따라 어떻게 변하는가?

커패시터 ESR은 고정된 값이 아닙니다. 일반적으로 ESR은 주파수에 따라 달라지며, 그 주파수 특성은 커패시터의 기술 방식과 구조에 따라 다릅니다.

대체로 주파수가 자기 공진 주파수에 가까워질수록 ESR이 낮아지며, 액체 알루미늄 전해 커패시터에서는 온도가 낮아질수록 ESR이 급격히 높아집니다.

그림: 커패시터 ESR 차트: 주파수에 따른 커패시터 ESR과 임피던스

• 저주파: 유전 손실이 지배적이므로 ESR이 대체로 가장 높습니다.
• 중간 주파수: 전해질과 구조의 영향으로 ESR이 결정되며, 곡선이 평탄해집니다.
• 고주파: 전극 및 단자 저항이 지배적이며, 매우 높은 주파수에서는 표피 효과로 ESR이 다시 높아질 수 있습니다.
• 자기 공진 주파수: 자기 공진 주파수(SRF)에서는 용량성 리액턴스와 유도성 리액턴스가 상쇄되어, 임피던스가 ESR과 같아집니다.

그림: 커패시터 ESR 차트: 액체 알루미늄 전해 커패시터와 폴리머 알루미늄 커패시터의 온도에 따른 ESR

온도의 영향은 기술 방식마다 다릅니다.

• 액체 알루미늄 전해: 온도가 오르면 ESR이 낮아지고, 저온에서는 전해질 전도도가 떨어져 ESR이 높아집니다. 많은 데이터시트에서는 이를 120Hz에서의 Z(−25°C) / Z(+20°C) 같은 최대 임피던스 비로 표기합니다.
• 폴리머 알루미늄 및 폴리머 탄탈: 고체 전도성 고분자 덕분에 정격 온도 범위 전반에서 ESR이 비교적 안정적으로 유지됩니다.
• 세라믹(MLCC): 온도가 변해도 ESR이 낮게 유지되지만, X7R 같은 Class II 유전체는 특히 저주파에서 Class I(C0G) 유전체보다 손실 계수가 높습니다.

선택 규칙: ESR 값은 반드시 같은 주파수와 온도에서 비교하고, 회로가 동작하는 주파수를 기준으로 하십시오.

커패시터의 좋은 ESR 값은 어느 정도인가?

좋은 ESR 값이란 명시된 주파수와 온도에서 해당 부품의 데이터시트 최대값 이하인 값입니다. ESR은 기술 방식, 정전 용량, 정격 전압, 케이스 크기에 따라 달라지므로, 모든 커패시터에 적용되는 단일 기준은 없습니다.

기술 방식이 ESR의 자릿수를 결정합니다. 아래 비교는 100µF, 10V로 정격이 같은 커패시터 종류를 대상으로, 각 부품의 100kHz 및 상온(제조업체에 따라 20°C 또는 25°C) 기준 데이터시트 최대값을 사용했습니다.

케이스 크기도 조금씩 다르므로, 패키지 치수는 SMD 커패시터 크기 가이드를 참고하십시오.

참고: 다음 커패시터 ESR 값 표는 일반적인 커패시터 기술 방식별 예시 ESR 또는 임피던스 값을 비교한 것입니다.

표: 커패시터 ESR 표

허용 리플 전류는 ESR을 따라갑니다. 폴리머 부품은 액체 알루미늄 부품보다 몇 배나 높은 리플 전류를 허용합니다.

제조업체마다 이 정격을 다른 주위 온도에서 명시하므로, 비교하기 전에 각 데이터시트의 온도 보정을 적용하십시오.

세라믹(MLCC) 커패시터는 일반적인 기술 방식 중 ESR이 가장 낮으며, 자기 공진 주파수에서 보통 수 mΩ 수준입니다. 이렇게 낮은 ESR과 낮은 ESL 덕분에 MLCC는 IC 전원 핀 가까이에 배치하는 디커플링 커패시터의 표준 선택지가 됩니다.

선택 규칙: 동작 주파수와 최저 동작 온도에서의 데이터시트 ESR이 리플 전압과 리플 전류를 모두 허용 범위 안에 유지하는 기술 방식을 선택하십시오.

BOM과 SMT 조립 주문을 확정하기 전에 폴리머, 탄탈, MLCC 옵션을 패키지 정보와 함께 비교해 보십시오.

데이터시트에서 커패시터 ESR을 찾는 방법

데이터시트의 어디에서 ESR을 찾을 수 있습니까?

커패시터 ESR은 데이터시트에 보통 100kHz, 20°C 또는 25°C 기준의 ESR 값으로, 100kHz 기준 최대 임피던스로, 또는 보통 120Hz나 100Hz 기준의 손실 계수(tan δ)로 간접적으로 표기됩니다. tan δ만 주어진 경우에는 이를 이용해 ESR을 계산할 수 있습니다.

폴리머 및 탄탈 시리즈는 보통 100kHz 기준 ESR을 표기합니다. 저임피던스 알루미늄 시리즈는 100kHz 기준 최대 임피던스를 표기하는 경우가 많은데, 해당 주파수에서 용량성 리액턴스가 작다면 이 값은 ESR에 가깝습니다.

범용 알루미늄 전해 시리즈는 tan δ와 허용 리플 전류만 표기하는 경우가 많습니다.

그림: ESR, 손실 계수, 리플 전류 측정 조건이 표시된 데이터시트 발췌

손실 계수를 ESR로 변환하려면 다음 식을 사용합니다.

ESR = tan δ / (2πfC)

예를 들어, 120Hz에서 최대 tan δ가 0.14인 1,000µF 커패시터의 120Hz 용량성 리액턴스는 약 1.33Ω입니다. 따라서 120Hz에서의 최대 ESR은 약 0.14 × 1.33Ω, 즉 0.19Ω입니다. 스위칭 컨버터 주파수에서는 같은 부품의 ESR이 대개 더 낮으므로, 가능하다면 100kHz 값이나 제조업체의 주파수 보정 데이터를 사용하십시오.

커패시터 ESR 측정 방법

커패시터 ESR은 리액턴스가 낮은 주파수에서 커패시터에 작은 교류 테스트 신호를 흘린 다음, 그에 따른 전압과 전류를 측정해 구합니다.

그림: 커패시터 ESR을 측정하는 세 가지 방법: ESR 미터, 4선식 켈빈 LCR 미터, 임피던스 분석기

LCR 미터에서는 임피던스가 낮은 대용량 커패시터의 경우 직렬 모드(Cs–Rs)를 사용하십시오. 4선식 켈빈 연결은 전류 리드와 전압 리드를 분리하므로, 리드 저항과 접촉 저항이 mΩ 단위 측정값에 더해지지 않습니다.

ESR 미터로 커패시터 ESR을 점검하는 방법

휴대용 ESR 미터로 커패시터를 점검하는 방법은 다음과 같습니다.

1. 전원을 차단하고 커패시터를 방전한 다음, 멀티미터로 양단 전압이 거의 0인지 확인합니다.
2. 미터 프로브를 서로 단락시키고 영점을 맞춰 프로브 저항을 제거합니다.
3. 프로브를 커패시터 단자에 연결하고 ESR 값을 읽습니다.
4. 측정값을 같은 주파수의 데이터시트 최대값, 또는 같은 방식으로 측정한 같은 품번의 새 커패시터 값과 비교합니다.
5. 회로 내 측정값은 낮게 나오는데 회로에 여전히 증상이 있다면, 커패시터를 떼어 내 다시 측정하십시오. 기판에 병렬로 연결된 커패시터가 측정값을 낮추기 때문입니다.

참고: 충전된 커패시터나 전원이 들어온 회로에 연결하면 ESR 미터가 손상될 수 있습니다.

높은 ESR 커패시터의 증상은 무엇인가?

커패시터의 ESR이 높아졌는지 어떻게 알 수 있습니까?

높은 커패시터 ESR은 노화된 액체 알루미늄 전해 커패시터에서 가장 많이 나타납니다. ESR이 리플을 키우고, 커패시터 온도를 높이고, 전원 공급 장치를 불안정하게 만들 만큼 높아졌더라도 정전 용량은 여전히 허용 오차 이내로 측정될 수 있습니다.

액체 전해질은 증발과 확산을 통해 밀봉부로 서서히 빠져나갑니다. 높은 온도와 리플 전류로 인한 발열이 이러한 손실을 가속해 ESR을 높입니다.

대표적인 증상은 다음과 같습니다.

• 리플 및 노이즈 증가: 전원 레일의 리플이 기판이 새것이었을 때보다 커집니다.
• 뜨거워진 커패시터: 커패시터가 새것일 때보다, 또는 정상 기판의 같은 부품보다 눈에 띄게 뜨겁습니다.
• 불안정한 전원 공급 장치 동작: 스위칭 전원이 기동하지 않거나, 반복적으로 재시작하거나, 부하가 걸리면 꺼집니다.
• 물리적 손상: 벤트가 부풀거나 전해질이 새는 것은 말기 증상이며, 고장 나는 커패시터 중 상당수는 겉으로 보이는 변화가 없습니다.

높은 ESR 커패시터를 교체해야 하는 시점

많은 알루미늄 전해 커패시터 데이터시트는 정전 용량 변화 ±20% 이내, tan δ는 초기 규정값의 200% 이하와 같은 내구성 한계를 규정합니다. 한계값은 제조업체마다 다르므로 항상 해당 부품의 데이터시트를 확인하십시오. 주파수와 정전 용량이 고정된 상태에서 ESR은 tan δ에 정비례합니다.

커패시터가 데이터시트 최대값보다 훨씬 높게 측정되거나, 같은 방식으로 측정한 새 부품보다 확연히 높다면, 원래 부품의 데이터시트 값보다 ESR이 같거나 낮고 허용 리플 전류가 같거나 높은 부품으로 교체하십시오. LDO 출력에서는 레귤레이터의 안정적인 ESR 범위 안에 머물러야 합니다.

결론

커패시터 ESR은 리플 전류를 리플 전압과 열로 바꾸는 직렬 저항이므로, 모든 전원 회로에서 정전 용량만큼 중요합니다. ESR은 반드시 같은 주파수와 온도에서 비교하고, 데이터시트 ESR이 리플, 발열, 안정성 한계를 충족하는 부품을 선택하며, 멀티미터가 아닌 ESR 미터나 LCR 미터로 측정하십시오.

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커패시터 ESR에 관한 자주 묻는 질문