안녕하세요! D.U.T입니다!
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방문해 주시는 모든 분들에게 항상 도움이 되는 정보를 제공하도록 노력하겠습니다.
이번 포스팅은 임베디드 하드웨어 설계를 업으로 하시거나 하드웨어 설계에 관심이 있는 분들을 위한 포스팅입니다.
저도 제품 하드웨어 설계를 매일 하는 게 아니고 프로젝트를 진행할 때마다 설계를 하다 보니 가끔 기초적인 정보를 잊어버리는 경우가 많았습니다. 그래서 기초적인 정보를 공유드릴 겸 저도 정리한다는 개념으로 포스팅을 합니다.
공유할 내용은 인덕터 데이터 시트 보는 법!입니다.
임베디드 하드웨어의 설계의 핵심은 전원 설계가 중요하다고 항상 생각합니다.
전원 설계를 잘 못하면 예측할 수 없는 부작용뿐만 아니라 제품 품질에 많은 영향을 주기 때문입니다.
전원 설계에 핵심은 DC-DC Converter이며, DC-DC Converter의 IC(전원 부품) 선택도 중요합니다. 다만, 조금 더 중요한 것은 인덕터 선택입니다.
Q. 인덕터 선택이 왜 중요할까요?
짧게 설명드리면 인덕터의 선택에 따라 DC-DC Converter의 성능이 차이를 보일 수 있고 노이즈 성능도 다릅니다. 이 부분에 대해서는 드릴 말씀이 많지만, 이번 포스팅 주제하고는 조금 다르므로 나중에 기회가 된다면 별도로 포스팅을 해보겠습니다.
사설이 조금 길었습니다.
포스팅 주제인 인덕터 데이터시트 보는 법!을 알아보겠습니다.
◈ 인덕터 데이터시트 보는 법!
인덕터 데이터시트 보는 법을 설명드리겠습니다.
예시로 설명드리기 위해 인덕터 테이터시트는 코일크래프트(Coilcraft)를 참고하였습니다.
인덕터 데이터시트를 보시면 위 표처럼 부품별로 아래 값을 확인할 수 있습니다.
인덕턴스,
DCR,
SRF(Self Resonance Frequency),
Isat(포화 허용 전류=직류 중첩 허용 전류),
Irms(온도 상승 허용 전류)
그리고 항목에 각각 소괄호로 (1), (2), (3)... 등이 표시되어 있고 그에 대응하는 설명이 데이터시트 아래 보면 있습니다.
각 항목별로 나누어 설명드리겠습니다.
▶ 인덕턴스 (Inductance)
인덕터의 핵심 스펙인 인덕턴스를 알려줍니다. 인덕턴스라고 부르기도 하고 공칭 인덕턴스라고도 합니다.
인덕턴스가 무엇인지는 제가 포스팅한 글이 있습니다. 포스팅을 참고해 주세요.
2023.01.05 - [전자공학/기초지식] - 인덕터, 인덕턴스 기초와 원리! - 회로이론
Q. 데이터시트에 Inductance 글자 옆에 ±20%는 무엇일까요?
A. 네. 허용 오차(tolerance)입니다. 예를 들어 인덕턴스가 3.3uH이면 허용 오차는 ±20%라는 뜻입니다.
인덕터 데이터시트마다 표시방법이 조금 다르지만 인덕턴스 옆에 ±20%, ±30%이 표시되어 있으면 허용오차라고 보시면 됩니다.
그리고 인덕터 데이터시트에 (1) 소괄호로 설명이 포함되어 있습니다.
(1) 애질런트/HP 4192A를 사용하여 100kHz, 0.1Vrms에서 인덕턴스 테스트 결과.
1MHz에서의 인덕턴스는 SRF ≤10MHz 부품에 대해 동일.
풀어서 설명드리면 HP 4192A 계측기는 Agilent 회사의 5Hz-13MHz Impedance Analyzer입니다.
임피던스 분석기로 측정 주파수 100kHz에서 확인한 인덕턴스 값입니다.
▶ 직류 저항 (DCR = DC Resistance)
인덕터 데이터시트에 DCR은 직류 저항(DC Resistance)입니다. DCR(DC Resistance)은 인덕터를 통과하는 직류 흐름에 대한 저항의 양을 측정하는 인덕터의 사양입니다.
모두 알고 계시겠지만, 전류가 와이어를 통해 흐를 때는 항상 전류 흐름에 약간의 저항이 있습니다. 이러한 저항으로 인해 전기 에너지의 일부가 열로 전환되어 일부 애플리케이션에서는 손실이 발생할 수 있습니다.
인덕터에서 와이어는 코일로 감기며 와이어의 길이와 와이어의 직경이 DCR을 결정합니다. 직경이 큰 와이어는 저항이 적은 반면, 긴 와이어는 저항이 더 큽니다.
Q. DCR 값이 크면 무엇이 안 좋을까요?
A. DCR이 크면 인덕터에 흐르는 전류와 DCR로 인해 손실이 발생합니다. 그리고 열로 인해 더 많은 에너지가 낭비되어 효율이 저하되고 작동 온도가 증가할 수 있습니다.
그리고 인덕터 데이터시트에 (2) 소괄호로 설명이 포함되어 있습니다.
(2) 마이크로옴계에서 측정한 DCR.
말 그대로 단순하게 저항 값을 측정했다는 뜻입니다.
▶ 자기 공진 주파수 = SRF(Self Resonance Frequency)
계속 질문을 드려 죄송합니다. 생각하는 시간을 가져보겠습니다.
Q. 인덕터의 자기 공진 주파수(SRF=Self Resonance Frequency)란 무엇일까요?
A. 인덕터의 자기 공진 주파수는 인덕터의 기생 커패시턴스가 인덕터의 이상적인 인덕턴스와 공진하여 매우 높은 임피던스가 되는 주파수입니다.
질문을 하고 답을 드렸는데 글로 보면 이해가 잘 안 되시죠? 저도 그렇습니다. 그래서 그림으로 설명드리겠습니다.
인덕터 등가 회로에서 볼 수 있듯이 인덕터에는 기생 정전용량(EPC)이 있습니다. 기생 정전용량(EPC) 이외에, 인덕터 권선의 저항 성분인 등가 직렬 저항(ESR), 등가 병렬 저항(EPR)도 있습니다.
인덕터의 기생 성분 때문에 주파수가 상승함에 따라 기생 커패시턴스의 임피던스는 크기가 이상적인 인덕턴스와 같아질 때까지 떨어집니다. 이것이 일어나는 지점을 자기 공진 주파수(SRF=Self Resonance Frequency)라고 합니다.
공식에서 알 수 있듯이 인덕턴스 또는 캐패시턴스 값이 클수록 자기 공진 주파수는 낮아지고 인덕턴스 또는 캐패시턴스 값이 작을수록 자기 공진 주파수는 큽니다.
앞에 데이터시트에서 보여드린 LPS3015-222MR 인덕터 스펙으로 대략 SRF와 임피던스 그래프를 그려봤습니다. 대충 그려서 값은 정확하지 않을 수 있으니 참고하시기 바랍니다.
인덕턴스는 자기 공진 주파수(SRF)까지만 인덕터처럼 작동합니다. 자기 공진 주파수보다 높은 주파수 영역에서는 인덕터로서 기능을 하지 않습니다.
마지막으로 인덕터 데이터시트에 (3) 소괄호로 설명이 포함되어 있습니다.
(3) 애질런트/HP 8753ES 또는 동등한 제품을 사용하여 측정한 SRF.
말 그대로 단순하게 Vector Network Analyzer로 SRF 값을 측정했다는 뜻입니다.
▶ Isat (포화 허용 전류=직류 중첩 허용 전류)
계속 질문을 드려서 이번 항목에서는 질문을 드리지 않겠습니다.
인덕터 포화 전류는 인덕터가 코어 물질을 포화시키지 않고 전달할 수 있는 최대 전류를 의미합니다. 포화는 인덕터 코어 내의 자기장 강도가 더 이상 증가할 수 없는 지점에 도달할 때 발생합니다.
포화 허용 전류는 지정된 인덕턴스 값을 유지하면서 인덕터가 처리할 수 있는 최대 전류를 나타냅니다.
인덕터에 전류가 포화 허용 전류 이상 흐르게 되면 인덕턴스 감소 및 비정상 동작, 인덕터 손상을 초래합니다.
인덕터가 포함되는 전원 회로를 설계할 때 포화 전류를 고려하는 것은 정말 중요합니다. 작동 전류가 포화 전류 미만으로 유지되도록 함으로써 원하는 인덕턴스를 유지하고 성능 문제나 인덕터 손상을 방지할 수 있습니다.
상단에 인덕터 데이터시트에서 LPS3015-102MR을 예를 들어 설명드리겠습니다.
만약 인덕터에 전류가 2.4A까지 흐르면 인덕턴스는 초기 1uH 값의 약 80%가 됩니다.
나머지 10% Drop, 30% Drop도 동일합니다.
계속 반복해서 말씀드려 죄송합니다. 앞에서 설명드렸지만 다시 전원 회로 설계 기준으로 말씀드리면 작동 전류가 포화 전류 미만으로 유지하는 게 정말 중요합니다.
마지막으로 인덕터 데이터시트에 (4) 소괄호로 설명이 포함되어 있습니다.
(4) 전류가 없는 상태에서 지정된 인덕턴스가 값에서 떨어지는 25°C의 DC 전류.
데이터시트에 직관적으로 설명이 나와있어 추가적으로 제가 설명드릴 내용이 없습니다.
▶ Irms (온도 상승 허용 전류)
드디어 인덕터 데이터시트의 마지막 항목입니다.
Irms (온도 상승 허용 전류)입니다. 말 그대로 인덕터 온도가 상승할 경우, 허용 가능한 전류입니다.
온도가 상승할 경우, 허용 가능한 전류 값은 줄어듭니다.
추가적으로 설명을 드리고 싶지만, 특별하게 더 떠오르는 생각이 없어 설명드릴 내용이 없습니다.
마지막으로 인덕터 데이터시트에 (5) 소괄호로 설명이 포함되어 있습니다.
(5) 주변 25°C에서 지정된 온도 상승을 일으키는 전류.
☆ 이 정보는 참조용으로만 제공되며 절대 최대 등급을 나타내지 않음.
데이터시트에 나와있듯이 참조용으로만 아시면 됩니다.
이번 포스팅은 인덕터 데이터시트 보는 법을 공유드렸습니다.
도움이 되시길 바라며 제가 설명한 내용 중에 틀린 부분이 있을 수 있으니 참고하시기 바랍니다.
틀린 내용은 댓글에 남겨주시길 희망합니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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