Derating

1. Derating이란?

전자회로를 설계할 때는 저항, Capacitor, MOSFET, IC 등 다양한 부품을 사용한다. 각 부품에는 견딜 수 있는 전압과 전류, 동작 가능한 온도 범위 등이 정해져 있으며, 이를 정격(Rating)이라고 한다. 그러나 실제 회로를 설계할 때는 부품의 정격을 그대로 사용하기보다 충분한 여유를 확보하는 것이 중요하다.

Derating은 부품에 가해지는 전기적·열적 부담을 정격보다 낮게 제한하거나, 사용 환경에 따라 허용 가능한 부하를 낮추어 설계하는 방법이다. 예를 들어 정격전압이 \(25\,\mathrm{V}\)인 Capacitor를 \(24\,\mathrm{V}\)에서 사용한다고 가정해 보자. 정격전압을 초과하지는 않지만 전원 변동이나 일시적인 과전압이 발생하면 정격을 넘어설 가능성이 있다.

따라서 실제 회로에서는 정상 상태뿐 아니라 예상되는 전압과 전류의 변동, 온도 상승까지 고려하여 부품을 선정한다.

1.1 Derating과 Margin

Derating은 부품의 정격에 일정한 비율을 적용하여 실제 설계에서 허용할 전압, 전류 또는 전력의 상한을 낮추는 방법이다.
예를 들어 정격전압이 \(25\,\mathrm{V}\)인 Capacitor에 Voltage Derating을 \(80\%\)로 적용한다고 가정하자. 이는 실제 사용전압을 정격전압의 \(80\%\) 이하로 제한한다는 의미이다.
\[
\begin{aligned}
V_{\mathrm{design}}&=V_{\mathrm{rated}}\times0.8\\
&=25\times0.8\\
&=20\,\mathrm{V}
\end{aligned}
\]
따라서 이 설계에서는 해당 Capacitor에 인가되는 최대 전압이 \(20\,\mathrm{V}\) 이하가 되도록 한다.
이처럼 Derating을 적용하면 부품의 물리적인 정격이 바뀌는 것은 아니지만, 설계자가 허용하는 사용 한계는 낮아진다.
한편 Margin은 부품의 정격과 실제 사용 조건 사이에 확보된 여유를 의미한다.
예를 들어 정격전압이 \(25\,\mathrm{V}\)인 Capacitor에 실제 최대 \(15\,\mathrm{V}\)가 인가된다면,
\[
\begin{aligned}
\mathrm{Voltage\ Margin}
&=\frac{V_{\mathrm{rated}}-V_{\mathrm{actual}}}{V_{\mathrm{rated}}}\times100\%\\
&=\frac{25-15}{25}\times100\%\\
&=40\%
\end{aligned}
\]
즉, 정격전압 대비 \(40\%\)의 Margin을 확보한 것이다.
정리하면 Derating은 설계 단계에서 부품의 사용 한계를 낮추는 것이고, Margin은 실제 사용 조건에서 확보된 여유를 나타낸다.
다만 모든 부품에 동일한 Derating 비율을 적용하는 것은 아니다. 적절한 비율은 부품 종류, 사용 환경, 제조사의 권고사항 및 제품의 신뢰성 요구조건에 따라 달라진다.

1.2 Absolute Maximum Ratings와 Recommended Operating Conditions

부품의 Datasheet를 보면 일반적으로 다음과 같은 항목을 확인할 수 있다.

• Absolute Maximum Ratings: 부품에 가해지는 전기적·열적 스트레스의 절대 한계

• Recommended Operating Conditions: 제조사가 권장하는 정상 동작 조건

• Electrical Characteristics: 특정 시험 조건에서 보장되거나 측정된 전기적 특성

Absolute Maximum Ratings는 부품을 정상적으로 사용할 수 있는 권장 범위를 의미하지 않는다. 이 한계를 넘어서는 스트레스는 부품에 영구적인 손상을 일으킬 수 있으며, 절대 최대 정격 이내라고 하더라도 정상 동작이나 장기 신뢰성이 보장되는 것은 아니다.

실제 예시로 Texas Instruments의 TPS62130 DC-DC Converter를 살펴보자.

항목	값
Absolute Maximum Input Voltage	\(20\,\mathrm{V}\)
Recommended Input Voltage	\(3\sim17\,\mathrm{V}\)
Absolute Maximum Junction Temperature	\(150\,^\circ\mathrm{C}\)
Recommended Junction Temperature	\(-40\sim125\,^\circ\mathrm{C}\)

이 부품에 \(19\,\mathrm{V}\)를 인가하는 것은 절대 최대 입력전압보다 낮지만, 권장 동작 범위를 벗어난다. 따라서 정상적인 기능을 보장할 수 없다.

Derating을 적용할 때는 이러한 정격의 의미를 먼저 구분하고, 권장 동작 범위 내에서 필요한 설계 여유를 확보해야 한다.

Absolute Maximum Ratings 및 Recommended Operating Conditions 비교 표 (TPS62130 Datasheet)

2. Voltage Derating

Voltage Derating은 부품에 인가되는 전압을 정격전압보다 낮게 설정하여 여유를 확보하는 방법이다.

회로에 인가되는 전압은 항상 일정하지 않다. 전원 공급장치의 출력 오차, 부하의 급격한 변화, 스위칭 과정에서 발생하는 Overshoot 등에 의해 순간적으로 전압이 상승할 수 있다. 따라서 부품을 선정할 때는 평상시 전압뿐 아니라 실제로 발생할 수 있는 최대 전압을 고려해야 한다.

예를 들어 \(12\,\mathrm{V}\) 전원에 연결된 Capacitor를 선정한다고 가정하자.

• 정상 동작 전압: \(12\,\mathrm{V}\)

• 예상되는 최대 전압: \(14\,\mathrm{V}\)

• Capacitor 정격전압: \(25\,\mathrm{V}\)

이때 최대 전압을 기준으로 사용률을 계산하면,

\[ \begin{aligned} \mathrm{Utilization} &=\frac{14}{25}\times100\%\\ &=56\% \end{aligned} \]

즉, 해당 Capacitor는 정격전압의 \(56\%\) 수준에서 사용된다.

이러한 전압 여유는 예상치 못한 전압 상승에 대한 위험을 줄이는 데 도움이 된다. 다만 실제 허용 가능한 전압과 필요한 Margin은 부품의 종류, 전압 파형, 적용되는 설계 기준을 함께 검토해야 한다.

3. Current Derating

Current Derating은 부품에 흐르는 전류를 정격전류보다 낮게 제한하여 사용하는 방법이다.

부품에 전류가 흐르면 내부 저항 등에 의해 전력이 손실되고 열이 발생한다. 또한 전류가 증가할수록 발열이 커지는 경우가 많기 때문에 전류 정격은 온도와 밀접한 관계가 있다.

저항성 손실을 간단하게 나타내면 다음과 같다.

\[ P_{\mathrm{loss}}=I_{\mathrm{RMS}}^2R \]

여기서 \(I_{\mathrm{RMS}}\)는 실효전류, \(R\)은 저항을 의미한다.

예를 들어 동일한 저항에 흐르는 실효전류가 \(1\,\mathrm{A}\)에서 \(2\,\mathrm{A}\)로 증가하면,

\[ \frac{P_2}{P_1} =\frac{2^2R}{1^2R}=4 \]

저항성 손실은 4배 증가한다. 따라서 전류의 증가가 부품의 온도 상승으로 이어질 수 있다.

3.1 Average, RMS, Peak Current

실제 회로에서는 전류가 일정하게 흐르지 않을 수 있으므로 전류의 종류를 구분해야 한다.

• Average Current: 일정 시간 동안의 평균 전류

• RMS Current: 전류의 발열 효과를 평가할 때 사용하는 실효전류

• Peak Current: 순간적으로 흐르는 최대 전류

예를 들어 DC-DC Converter에 연결된 Inductor에는 평균적인 부하전류뿐 아니라 스위칭에 의한 Ripple Current가 흐른다.

따라서 Inductor의 전류 정격을 검토할 때는 RMS Current에 따른 발열과 Peak Current에 따른 자기적 포화 가능성을 함께 고려해야 한다.

TI의 TPS62130 데이터시트에서도 Inductor의 최대 전류를 다음과 같이 계산한다.

\[ I_{\mathrm{L,peak}} =I_{\mathrm{OUT,max}}+\frac{\Delta I_{\mathrm{L}}}{2} \]

여기서 \(\Delta I_{\mathrm{L}}\)은 Inductor에 흐르는 Peak-to-Peak Ripple Current를 의미한다.

예를 들어 최대 출력전류가 \(2\,\mathrm{A}\)이고 Ripple Current가 \(0.8\,\mathrm{A}\)라면,

\[ \begin{aligned} I_{\mathrm{L,peak}} &=2+\frac{0.8}{2}\\ &=2.4\,\mathrm{A} \end{aligned} \]

따라서 Inductor의 포화전류 정격은 최소한 계산된 Peak Current보다 충분히 커야 한다. 이와 별도로 RMS Current에 따른 발열도 확인해야 한다.

4. Temperature Derating

Temperature Derating은 주변 온도나 부품 자체의 온도가 높아질수록 허용 가능한 전류 또는 전력을 낮추어 사용하는 방법이다.

전자부품은 동작 과정에서 발생한 손실로 인해 열이 발생하며, 이때 부품 내부 온도는 주변 온도보다 높아질 수 있다.

반도체 내부의 온도를 Junction Temperature라고 하며, 일반적으로 \(T_{\mathrm{J}}\)로 표기한다.

단순화한 열저항 모델에서는 다음과 같이 표현할 수 있다.

\[
\begin{aligned}
T_{\mathrm{J}}&=T_{\mathrm{A}}+P_{\mathrm{loss}}R_{\theta\mathrm{JA}}
\qquad
\left[
\begin{array}{ll}
T_{\mathrm{J}} &: \text{Junction Temperature}\\[6pt]
T_{\mathrm{A}} &: \text{Ambient Temperature}\\[6pt]
P_{\mathrm{loss}} &: \text{부품에서 발생하는 손실 전력}\\[6pt]
R_{\theta\mathrm{JA}} &: \text{Junction-to-Ambient Thermal Resistance}
\end{array}
\right.
\end{aligned}
\]

예를 들어 다음과 같은 조건을 가정하자.

• 주변 온도: \(60\,^\circ\mathrm{C}\)

• 손실 전력: \(1\,\mathrm{W}\)

• 열저항: \(45\,^\circ\mathrm{C/W}\)

이때 Junction Temperature는

\[ \begin{aligned} T_{\mathrm{J}} &=60+1\times45\\ &=105\,^\circ\mathrm{C} \end{aligned} \]

로 계산된다.

이는 열저항이 실제 장착 조건을 대표한다고 가정한 단순 계산이다. 실제 온도는 PCB의 구리 면적, 부품 배치, 공기 흐름, 방열 구조 등에 의해 달라질 수 있다.

만약 해당 부품의 권장 최대 Junction Temperature가 \(125\,^\circ\mathrm{C}\)라면 계산상 \(20\,^\circ\mathrm{C}\)의 온도 여유가 있다.

그러나 주변 온도가 상승하거나 손실 전력이 증가하면 이 여유는 감소한다. 따라서 Temperature Derating을 적용할 때는 실제 사용 환경의 최고 온도에서 부품의 발열을 검토해야 한다.

또한 온도 상승에 따라 부품의 허용 전력이나 전류가 줄어드는 특성은 제조사의 Derating Curve를 통해 확인할 수 있다.

5. DC Bias에 따른 Capacitor의 정전용량 변화

앞서 살펴본 Derating은 부품의 정격보다 낮은 전압과 전류를 사용하고, 온도 조건에 따른 허용 한계를 고려하여 설계 여유를 확보하는 방법이다.

그러나 Capacitor는 정격전압을 만족하더라도 실제 정전용량이 표시된 값보다 작아질 수 있다. 특히 MLCC(Multilayer Ceramic Capacitor)는 인가되는 직류전압에 따라 정전용량이 변할 수 있는데, 이러한 특성을 DC Bias 특성이라고 한다.

따라서 Capacitor를 선정할 때는 정격전압뿐 아니라 실제 동작 조건에서 확보할 수 있는 정전용량도 고려해야 한다.

5.1 DC Bias란?

DC Bias는 Capacitor에 지속적으로 인가되는 직류전압을 의미한다.

Capacitor는 두 전극 사이에 유전체(Dielectric)가 배치된 구조이며, 유전체는 전기장에 반응하여 분극(Polarization)되는 특성을 가진다. 분극이란 전기장에 의해 유전체 내부의 양전하와 음전하의 분포가 상대적으로 이동하거나 전기적 쌍극자의 방향이 변하는 현상이다.

특히 X5R, X7R과 같은 고유전율계 MLCC는 강유전체(Ferroelectric Material)를 사용한다. 강유전체 내부에는 자발적으로 분극된 영역이 존재하며, 외부 전기장에 따라 이 영역의 분극 상태가 달라질 수 있다.

여기에 DC 전압이 인가되면 유전체 내부의 분극이 특정 방향으로 정렬되는 경향이 나타난다. 전기장이 강해질수록 추가적인 전압 변화에 반응하는 분극의 변화량이 줄어들 수 있으며, 그 결과 유효 유전율이 낮아지고 정전용량이 감소한다.

즉, DC Bias에 의한 정전용량 감소는 직류전압이 유전체의 분극 특성에 영향을 주기 때문에 발생한다.

예를 들어 (10,\mathrm{\mu F}), (25,\mathrm{V}) 정격의 MLCC를 (12,\mathrm{V}) 전원에 연결했다고 가정하자. 이때 Capacitor에는 약 (12,\mathrm{V})의 DC Bias가 인가된다.

정격전압을 초과하지는 않지만, 유전체의 특성에 따라 실제 정전용량은 (10,\mathrm{\mu F})보다 작아질 수 있다.

다만 모든 MLCC에서 동일한 현상이 나타나는 것은 아니다. C0G와 같은 Class 1 유전체는 DC Bias에 따른 정전용량 변화가 매우 작은 반면, X5R이나 X7R과 같은 Class 2 유전체에서는 상대적으로 큰 변화가 발생할 수 있다.

5.2 Effective Capacitance

Effective Capacitance는 실제 사용 조건에서 나타나는 유효 정전용량을 의미한다.
앞서 설명한 것처럼 DC Bias가 증가하면 일부 MLCC의 정전용량이 감소하므로, Datasheet에 표시된 정격 Capacitance와 실제 동작 중의 Capacitance가 달라질 수 있다.
예를 들어 정격 Capacitance가 \(10\,\mathrm{\mu F}\)인 부품에서 DC Bias에 의해 용량이 \(40\%\) 감소했다고 가정하자.
\[
\begin{aligned}
C_{\mathrm{eff}}
&=10\,\mathrm{\mu F}\times(1-0.40)\\
&=6\,\mathrm{\mu F}
\end{aligned}
\]
즉, 실제 회로에서 사용할 수 있는 정전용량은 \(6\,\mathrm{\mu F}\) 수준이 된다.
이처럼 Capacitor의 정격전압을 충분히 만족하더라도 필요한 Capacitance가 확보되지 않을 수 있다.
실제 감소량은 부품의 유전체, 크기, 정격전압 및 제조사별 설계에 따라 달라진다. 따라서 용량 감소율을 임의로 가정하는 대신 해당 부품의 DC Bias Characteristic Curve를 확인해야 한다.

Murata의 X5R과 C0G DC Bias 비교 그래프. DC 전압이 증가할 때 두 종류의 Capacitance가 어떻게 달라지는지 비교 (muRata, SimSurfing Multilayer Ceramic Capacitors Characteristics Viewer Measurement Conditions, September 2022, Murata Manufacturing Co., Ltd)

5.3 DC Bias가 회로에 미치는 영향

Capacitor는 전원회로에서 전압 변동을 완화하고 Ripple을 줄이는 역할을 한다.

그러나 DC Bias에 의해 정전용량이 감소하면 전원 노이즈 억제 능력이나 전압 안정성에 영향을 줄 수 있다.

예를 들어 DC-DC Converter의 출력 Capacitor는 출력전압 Ripple과 과도응답에 영향을 미친다. 따라서 명목상 Capacitance가 충분하더라도 실제 유효 정전용량이 작아지면 설계자가 예상한 성능을 확보하지 못할 수 있다.

이러한 이유로 Capacitor를 선정할 때는 단순히 정격전압과 표시된 Capacitance만 확인하는 것으로 충분하지 않다.

6. Capacitor의 Temperature 특성

Capacitor의 Capacitance는 온도에 따라서도 변할 수 있다.

특히 MLCC는 유전체 종류에 따라 온도 변화에 대한 특성이 다르며, 이를 구분하기 위해 X5R, X7R, C0G 등의 코드가 사용된다.

6.1 X5R과 X7R의 차이

구분	X5R	X7R
최저 온도	\(-55\,^\circ\mathrm{C}\)	\(-55\,^\circ\mathrm{C}\)
최고 온도	\(85\,^\circ\mathrm{C}\)	\(125\,^\circ\mathrm{C}\)
규정된 온도에 따른 용량 변화	\(\pm15\%\)	\(\pm15\%\)

X5R과 X7R은 모두 규정된 온도 범위에서 기준 온도 대비 정전용량의 변화율이 \(\pm15\%\) 이내가 되도록 분류된 유전체 특성이다.

가장 큰 차이는 사용 가능한 온도 범위이다.

따라서 고온 환경에서는 X7R이 X5R보다 넓은 온도 범위를 제공한다.

다만 X7R이라는 이유만으로 DC Bias 특성까지 더 좋다고 단정할 수는 없다. DC Bias에 따른 정전용량 감소량은 실제 부품의 특성 데이터를 별도로 확인해야 한다.

6.2 온도 특성과 DC Bias를 함께 고려해야 하는 이유

실제 회로에서는 DC Bias와 온도가 동시에 부품에 영향을 주기 때문이다.

예를 들어 \(10\,\mathrm{\mu F}\) MLCC가 DC Bias에 의해 \(30\%\) 감소하고, 해당 바이어스 조건에서 온도 변화로 정전용량이 추가로 \(10\%\) 감소한다고 가정하자.

\[ \begin{aligned} C_{\mathrm{eff}} &=10\times(1-0.30)\times(1-0.10)\\ &=6.3\,\mathrm{\mu F} \end{aligned} \]

이 계산은 두 감소율을 순차적으로 적용하는 가상의 예시이다. 실제 DC Bias와 온도 특성은 서로 독립적이라고 단정할 수 없으므로, 정확한 값을 얻으려면 해당 온도 및 전압 조건에 대한 제조사의 특성 데이터를 확인해야 한다.

Murata의 Temperature Characteristics 그래프. 온도에 따른 Capacitance 변화와 DC Bias가 인가된 상태의 변화를 비교 (https://www.murata.com/en-us/support/faqs/capacitor/ceramiccapacitor/char/0007)

7. 실제 회로 설계에서 Derating 적용하기

실제 PCB를 설계할 때는 부품의 정격과 회로의 사용 조건을 함께 고려해야 한다.

부품별로 주로 확인해야 하는 항목은 다음과 같다.

부품	주요 검토 항목
Resistor	정격전력, 전압, 주변 온도
Capacitor	정격전압, Effective Capacitance, 온도
Inductor	RMS Current, Saturation Current, 온도 상승
MOSFET	\(V_{\mathrm{DS}}\), \(V_{\mathrm{GS}}\), 전류, 손실, Junction Temperature
IC	권장 동작전압, 부하전류, 온도 및 방열 조건

예를 들어 SSD의 전원회로에서 DC-DC Converter와 주변 부품을 선정한다고 가정하자.

먼저 Converter의 입력전압이 권장 동작 범위에 들어오는지 확인한다. 이후 최대 부하전류와 전력 손실을 계산하고, 주변 온도와 PCB 방열 조건을 고려하여 Junction Temperature를 검토한다.

또한 Inductor는 Peak Current와 RMS Current를 기준으로 선정하고, 입출력 Capacitor는 DC Bias와 온도에 따른 Effective Capacitance를 확인해야 한다.

이러한 검토를 통해 부품의 정격을 만족하는 것을 넘어, 실제 사용 환경에서도 필요한 전기적 성능과 신뢰성 여유를 확보할 수 있다.

결국 Derating은 단순히 높은 정격의 부품을 사용하는 것이 아니라, 실제 사용 조건을 분석하고 적절한 Margin을 확보하는 설계 과정이라고 할 수 있다.

참고자료

1. Texas Instruments — TPS6213x Datasheet (Rev. F), Sections 7.1–7.4, 9.2.2.2 https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps62130.pdf

2. Murata — MLCC Characteristics Viewer: Measurement Conditions, DC Bias / Temperature Characteristics https://ds.murata.com/simsurfing_data/pdf/en-us/mlcc/sim_mlcc_measuringcond_e.pdf

3. Murata — What is the reason that the nominal capacitance value cannot be obtained? https://www.murata.com/en-us/support/faqs/capacitor/ceramiccapacitor/char/0007

4. TDK — Which Temperature Characteristics are commonly referenced for MLCCs? https://product.tdk.com/en/contact/faq/capacitors-0051.html