Author: 김영철
Source: 영화로 배우는 PCB설계 - KOREA PCB designer's group

"영화로 배우는 PCB설계"라는 Homepage를 운영중이신 김영철님께서 자신의 Homepage에 게시하신 내용을 제가 임의로 긁어와서 제홈페이지에 맞게 디자인을 수정하여 제공합니다...  (참!  내용중에 오자라고 판단되는 부분은 제임의대로 수정을 했습니다... - 원저자님께는 죄송...)

[PCB 설계 공개 강좌]

[해설] 바이패스콘덴서는 왜 다는가?

보낸이: 김영철 (pcsluh) 1999-07-16 05:28  조회:330

이건 제가 하이텔 캐드 동호회에 올려 놨던 것 입니다.

<거짓말같은 진짜 이야기 바이패스 콘덴서 이야기...>

우리가 흔히 디지탈 회로가 있으면 으례 있게 마련인 바이패스 콘덴서 이야기를 하고자 합니다.  우리가 흔히 이야기하는 바이패스(bypass) 콘덴서라는 어원은 제가 알수가 없지만 어쨌든 저는 새로운 용어를 접하게 되면 우선 그 말이 가지고 있는 뉘앙스에서 최초의 이말을 만든 사람의 의도를 파악 하고자 하는것 부터 시작합니다.  그런 습관을 가지고 있는 저에게는 바이패스 콘덴서라는 말은 많은 혼란을 야기 시켰고 미국애들이 얘기하는 디커플링(decoupling) 콘덴서라는 것이 흔히 우리가 얘기하는 바이패스 콘덴서라는 것을 알았습니다.  음... 바로 이거야.  훨씬 의미가 명확하게 떠오르더군요.

저는 여기서 힌트를 얻어서 하나씩 다시 추리 해나가고 가설을 세우고 검증 하는 작업을 하기로 했습니다.  원래 개발이라는것이 세상에 없는것을 만드는 것이기 때문에 가설을 세우고 검증을 하는 작업의 연속 이기도 했습니다.

학교 다닐때는 공부도 안하고 놀러만 다닌게 후회도 되었지만 이미 업질러진 물...

하지만 그게 어찌 보면 다행스러운 일일지도 모르겠습니다.  그것은 백지에 그림을 그리는 것이 그림을 지우고 다시 그리는것 보다는 쉬운 일이니까요.

저는 주로 제어 쪽이나 잡스런것들을 이것 저것 했었는데 양산 보다는 다품종 소량 생산의 일이었습니다.  각각의 요구사양이 당연히 다 달랐는데 개발실에서 할때는 잘 되었는데 현장에 설치하면 가끔씩 오동작 하거나 자주 발생하기도 하고, 같은 제품인데도 설치한곳에 따라서 문제가 있기도 하고 없기도 하여 상당히 골치를 앓았던 경험이 있습니다.

그래서 그런 시행 착오에서 학교에서 가르쳐 주지 않는 여러가지 knowhow(?)라는것이 쌓이게 되더군요.  하지만 시간이 흐를수록 그동안 아무 생각 없이 써왔던 바이패스 콘덴서, 풀업, 댐핑 저항, 풀다운 등등이 더욱 궁금해졌지요.

기본기가 딸리고 머리가 안좋으면 역시 시간하고 몸으로 때우는 수밖에...

그래서 가장 먼저 기본기라고 할수 있는 학교 다닐때 봤던 책을 다시 꺼내들고 보고 또 보면서 얻은 결론은 아래와 같습니다.

1. 워낙 학생들이 유능(?) 하다고 제자들을 전폭적으로 믿으시는 교수님들이 이건 절대 있을수 없는 이상적인 조건이라는 얘기를 생략 하시기 때문에. (실제로 동작하는 IC의 파형을 오실로스코프로 첨 봤을때의 충격...  그땐 공부를 별로 안했기 때문에 아무 생각이 없었지요. T.T)
2. 이것도 제가 공부를 안했기 때문에 "전자의 속도는 빛의 속도이다."라고 착각하고 있었던 것.
3. 바이패스 콘덴서는 선배들이 그랬던것 처럼 "104 세라믹을 쓰면되."하고 타성에 젖어 있었던 것.

선배에게 물어 보면 되니까...

• 저: 선배님 바이패스 콘덴서는 IC 몇개당 달아야 하는가요?
• 선배: 74LSXX TYPE은 2~5개에 1개, 74HCXX TYPE은 5~10개에 1개씩.  램, 롬에는 1개씩, 특히 DRAM에는 무조건 1개씩 달아.
• 저: 왜요?  퍽...윽........... T.T
• 선배: 임마 선배가 하라면 하는거야.  말이 많아...  (요새 이렇게 하면 남아있을 후배가 없겠지만...  어쨌든 그 악질(?) 선배덕에 실력이 늘은것은 사실이니까, 맞는만큼 성숙 해지고...)

서론이 너무길었습니다.

이제 부터 본론으로 들어 갑니다.

IC는 무었으로 만들어 지는가?  거야 당근 TR 이지요.  왜?  TTL이라고 하니까.

TTL => TRANSISTOR TRANSISTOR LOGIC

음 TRANSISTOR를 2번 썼으니까 VERY VERY HAPPY 하듯이 뭔지 모르지만 많이 들어가 있는 모양 이구만.  (가장 간단한 NOT GATE 하나에도 6개가 들어가 있네...)

그래서 TTL 데이타북을 열심히 들여다 보았다.  음, 근데 이거는 아는것 보다 모르는게 더 많구만.  왠 약어도 이리많고 왠 숫자가 이리 많아...  일단 덮어두자...  TTL 데이타북을 머리에 얹어 놓고 잠이 들었다.

꿈속에 산신령님이 나타나셔서 하시는말...

"음, 너의 정성이 갸륵하니 너의 궁금증을 풀어 주겠노라..."

산신령님이 TTL 데이타북을 보시더니 "음, 여기 왜이리 꼬부랑 말이 많은고 이건 내 관할이 아니니 서양 산신령 한테 물어 보거라." 하며 뿅... 사라져 버리는게 아닌가.  으이구.  산신령님도 공부 안하셨는가 보다.  다음에는 서양 유학 갔다오신 산신령으로 북킹 해둬야지...

문득 잠이 깬 나, 갑자기 산신령님의 약발(?)을 받아서인지 갑자기 모든게 보이기 시작 하는게 아닌가...

그중에서 기생용량과 등가용량등으로 표기 되어있는 부분을 잘살펴보기 바란다.

그리고 측정 조건등에는 정전용량 CL로 표기 되어있다.  이제 부터 이것을 잘 해석하면 우리의 궁금증을 풀어줄 것이다.

흔히 많이 사용하는 TTL중에 74LS04를 보자.  이건 너무나 유명(?)한 NOT GATE가 6개 들어 있는 놈이다.  스위칭 특성에 보면 VCC 5V, 25'C라고 되어 있고 CL=15pF일때 tr 6ns라고 되어 있다.  (여기서 한가지 첨언 하자면, 절대로 메이커의 데이타북을 100% 믿지 말라는 얘기이다.  경향을 얘기 한것이지 반드시 똑 같다는 얘기가 아니다.  특히 원래 설계 했을때와 다른 세컨드 소스를 써서 만들었을때 특히 중요하다.  마진이 부족한 설계를 했을때 어떤 메이커의 것을 쓰면 잘 되는데 어떤 메이커의 것을 쓰면 안되고 전압이 4.98V 이면 오동작 하고 5.0V 이면 잘 동작 한다는 요상스런(초보자의 한계) 경우에 봉착하고 보면 한숨만 나온다.)

다시 본론으로 돌아와서 등가용량 15pF라는것은 NOT Gate 한개의 등가적인 용량이다.  따라서 6개의 게이트를 다쓴다고 가정하면 15pF x 6 = 90pF라는 계산이 나온다.  다시 말해서 1개의 게이트를 움직이려면(전하 용량) 15pF의 전하량이 필요 하다는 얘기이다.

전하량을 구하는 공식은... 열심히 책을 뒤적거린 결과 다음과 같았다.

Q = C x V (모르는 분은 책 찾아 보세요.)

74LS04를 5V에서 동작 시키므로 NOT Gate 한개의 구동에 필요한 전하량은 15pF X 5V =75pC (pico coulomb)이다.  그러므로 6개의 Gate를 구동 시키려면 75pC x 6 = 450 pC 이다.  그런데 74LS04를 만약 20MHz 크리스탈을 발진 시키고 버퍼로 전부다 사용을 한다고 가정을 하자.  그렇다면 아래와 같이 된다.

450pC x 20MHz = 9.0 mC의 전하가 충방전이 된다는 얘기이므로 9mA의 전류가 흐른다는 얘기이다.  하지만 실제는 다른 IC들도 구동해야하고 또 PCB 패턴의 부유용량을 구동해야 하기때문에 훨씬 더많은 전류가 흐르게 된다.

6개의 게이트가 동시에 움직일때 전하의 충방전 시간은 어느정도의 속도로 이루어 지는가?  그것은 데이타북에 보면 tpd(Propagation Delaytime의 약자)를 보면 알수 있는데 74LS04의 경우 표준적으로 6ns로 나와 있다.

H => L로 변화할때 순간적인 전류를 계산 해보자.

450pC (6개 게이트 등가 정전용량) / 6ns = 75mC/s

최소 75mA 이상의 (부하 IC와 패턴 용량을 제외 했으므로) 전류가 흐른다는 것을 알았다.  놀랍지 않은가?  단지 6ns동안 순간 소비 전류 용량은 75mA가 필요 하다는 얘기가 된다.

여기 극단(?)적인 예를 하나 들어 보기로 하자.

전원으로 부터 PCB 패턴을 경유해서 IC에 전원이 공급 되고 있다.  이때 PCB 패턴의 저항이 0.4옴이 있다고 하자.  기판에는 100개의 IC가 있고 적어도 74LS04 정도 이상의 순간 전류를 소비하고 모든 IC가 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 IC들은 겨우 2V의 전원으로 먹고 살아야 하는 비극(?)적인 사태를 맞이 하게 된다.  최근 종영된 왕초 생각이 나는구만...  작년에 왔던 각설이 타령을 하면서 IC들은 배가 고파서 장렬히 쓰러지고 말았던 것이다.  단지 6ns 만에...

6ns라는 시간의 오동작은 웬만한 스코프로는 거의 잡아내기가 불가능(?)하다.

IC들의 권장 동작조건은 보통 5V +,- 10% 정도이므로 오동작은 필연적이다.  위의 경우는 한가지 예로 알기 쉽게 든것이지만 실제 회로에서는 100개의 IC가 아니더라도 훨씬 고속이고 대전류 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%정도 가격은 책정을 해야한다.)  그래서 저는 민생용이 아닐 경우는 여건이 허락하는한 최소 3배를 쓰기를 권하고 싶다.  왜 3배를 쓰는지에 관해서는 나중에 얘기하기로 하자.

다시 부연 설명을 하자.  그렇다면 IC마다 전원을 공급 하는것이 가장 이상(?)적이라는 저의 주장에 대부분 동조를 하시리라 믿고...  하지만 현실적으로 그렇게 한다면 다음날 바로 사표를 쓰거나 짤리는 비극적인 사태가 올수도 있으므로 어느 머리 좋은사람이 생각해낸게 꿩대신 닭...  우리의 호프 바이패스 콘덴서이다.  이후 저는 바이패스 콘덴서라는 표현대신에 훨씬 의미가 명확한 디커플링 콘덴서라는 용어도 쓰기로 한다.

IC가 ns order의 대전류를 요구 하므로 그렇게 빠른 응답을 할 전지도 없거니와 IC개별로 보면 대부분의 경우 동작하는 순간에만 보충을 해주면 되므로 콘덴서에다 멀리있는 전원을 받아서 충전한 후 IC가 배고파할 때 잽싸게 주면 만사 OK이므로 IC옆에 콘덴서를 달았고 그런 목적으로 사용하는 콘덴서를 bypass, decoupling capacitor(condensor)라고 한다.

이제 우리는 bypass, decoupling capacitor(condensor)의 정체를 알았다.  근데 어떤놈을 얼마만한 용량을 달아야 하는가하는 의문이 뭉게 뭉게 생기지 않는가?  아 인간의 호기심은 어디서 끝날 것인가...

그럼 일단 필요 최소 조건을 알아보자.

1. 고속이어야 한다.  (고주파 특성이 좋아야 한다.  ns에 응답해야 하므로.)
2. 적정한(?) 용량이어야 한다.  많은건 좋지만 모자라서는 안된다.
3. 가격이 싸고 가급적 크기가 작아야 한다.

74LS04에 필요한 콘덴서의 용량을 계산해 보기로 하자.

NOT Gate 1개에 15pF가 필요하고 합이 6개이므로 총 75pF가 필요하다.  74LS04가 일시적으로(6ns) 필요한 전하를 디커플링 콘덴서에서 보충했다고 가정하면...  Q1 = CP x 5V로 된다.

74LS04가 H -> L, L -> H로 ASSERT 되었다고하면 디커플링 콘덴서는 5V - 델타 V (기호를 쓸수가 없어서 말로 때웁니다.) 만큼 전압 강하가 일어나고 디커플링 콘덴서에 남아 있는 전하량을 Q2라고 할 때 Q2 = Cp x (5 - 델타 V)이고 (<- "Q = C x V" 공식을 기억 하시라...) 74LS04가 사용한 전하량 Q3는 Q3 = 75pF x (5V -델타 V) 이므로 원래 디커플링 콘덴서의 전체 전하량 Q1은 Q1= Q2+Q3 이며 다음과 같이 변형 대입 하면 델타 V /5 = 75pF / (CP+ 75pF) 이므로 전압 강하율은 등가 전하 용량과 디커플링 콘덴서의 비 만으로 결정이 된다.

74LS04의 권장 동작 조건은 +10, -10 %이지만 전원 마진을 생각하여 +10, -5%로 잡자.  이것을 윗식에 대입 하면 0.05 >= 75pF / (75pF +CP) 이므로

(75pF +CP) >= 75pF /0.05
(75pF +CP) >= 1500pF
CP >= 1500pF -75pF 이므로
CP >= 1425pF가 필요 하다는것을 알았다.

하지만 1425pF라는 콘덴서는 없으므로 2000pF로 하면된다.  그런데 실제 회로에서는 74LS04만 쓰는게 아니고 그보다 전류 용량이 큰 CPU, ROM, RAM, PLD, TTL에서도 다비트 사용등이 많이 있으므로 실무차원에서 볼때 IC마다 용량의 값이 다른 콘덴서를 일일히 다는것은 곤란하므로, 용량이 큰것은 문제가 되지 않으므로, 모든 디커플링콘덴서를 1개의 값으로 통일해서 사용하는 것이다.

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

보통 TTL만을 볼때는 가장 큰 용량이 필요한 놈이 0.047uF 정도가 필요한데 약간의 여유와 온도 상승시의 용량의 감소 (부온도 계수), 콘덴서의 오차등을 감안하여 0.1uF를 사용하게 된 것이다.

하지만 요새 100핀 이상의 QFP등등의 IC를 보면 전원핀이 여럿 나와 있는것을 볼 수 있는데 이것은 그만큼 전원을 많이 사용한다는 증거이므로 당연히 여러개의 디커플링 콘덴서가 필요하겠지요.  메이커에서 강력히 권장 합니다.

마지막으로 0.1uF이 개별 IC를 위한것이라면 전체적으로는 전원 변동에 대비해서 전해 콘덴서를 달도록 하고 통상 1개면 되지만 기판이 A3 사이즈 같이 클 경우에는 같은 용량이라도 2개 또는 3개로 나누어 다는것이 더 효율적이다.  이 콘덴서의 용량은 전체 소비전류를 구해서 여분을 더 한후 값을 정해야 겠지요.

마지막으로 쓰는김에 조금더...

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 업체일 경우 그리고 좀더 보면 5V 1A @60'C라고 되어 있다.

이 얘기는 파워의 주변 공기 온도가 60도이면 5V 3A 짜리가 5V 1A 밖에 출력이 안 나온다는 얘기인데 문제는 양심 불량인 업체는 실제로는 용량이 더 안나오는 경우가 대부분이다.  단가를 구매에서 많이 깍으면 더 심각 해질수도 있다.  싸게 납품을해도 남으려면 우선 EMI관련 부품을 빼거나 자재를 미제에서 중국산으로 둔갑하게 된다.  이런문제는 실제로 비일비재하게 일어나는 문제이다.  싼게 비지떡이라는 옛말이 하나 틀린게없다.  단언하건데 파워는 전자기기의 심장인 것이다.

이런 빌빌한 심장을 가진 기기가 겨울에 설치 되었는데 잘(?) 동작 하다가 여름이되자 가끔씩 맛이가기 시작하더니 간헐적인 에러가 빈번하게 발생하였다.  처음에는 미처 전원을 생각치못하여 한동안 헤매다가 결국은 전원의 열이 올라가자 효율이 떨어져서 전체 동작의 소비전력의 임계값에 이르렀는데 마진이 부족하여 공장의 전원사정에 의하여 변동을 흡수하지 못하고 그 영향이 직접적으로 나타난 경우였다.  결국 파워를 용량이 널럴한 놈으로 교체하여 해결했지만 결국 출장비와 인건비 추가교체 비용등을 생각하면 싼파워가 결코 싼게 아니었던 것이다.

싸다고 좋다말고 하자없나 다시보자...

현명한 여러분은 저와 같은 우를 범하지 마시기를...

아무것도 모를때는 간단한 것이었던것이 조금씩 더 알면 알수록 설계하기가 더욱 더 어려워지는군요.  그런 자기가 얼마나 우물안 개구리였는지도 알게되고, 알면 알수록 모르는게 많아지는게 전자가 아닌가 생각 합니다.

-- 김영철 올림 --