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コンデンサは、回路基板で最も一般的に使用されるコンポーネントの 1 つです。電子機器（携帯電話から自動車まで）の数が増加するにつれて、コンデンサの需要も増加しています。新型コロナウイルスのパンデミックにより、半導体から受動部品に至る世界的な部品サプライチェーンが混乱し、コンデンサが不足しています1。
コンデンサに関する議論は簡単に本や辞書になります。まず、コンデンサには電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどの種類があります。そして、同じ種類でも異なる誘電体材料が存在します。さまざまなクラスもあります。物理的な構造としては、コンデンサには2端子タイプと3端子タイプがあります。X2Y タイプのコンデンサもあります。これは、基本的に 1 対の Y コンデンサが 1 つにカプセル化されたものです。スーパーキャパシタについてはどうですか?実際のところ、座って主要メーカーのコンデンサ選択ガイドを読み始めれば、簡単に 1 日を過ごすことができます。
今回は基礎的な話なので、いつもとは違う方法で書いていきます。前述したように、コンデンサの選択ガイドはサプライヤーの Web サイト 3 および 4 で簡単に見つけることができ、通常はフィールド エンジニアがコンデンサに関するほとんどの質問に答えることができます。この記事では、インターネットで見つけられるものを繰り返すのではなく、実際の例を通じてコン​​デンサの選択方法と使用方法を説明します。静電容量の劣化など、コンデンサ選択のあまり知られていない側面についても説明します。この記事を読むと、コンデンサの使用法を十分に理解できるようになります。
何年も前、私が電子機器を製造する会社で働いていたとき、パワー エレクトロニクス エンジニアに対する面接の質問がありました。既存製品の回路図を基に候補者に「DCリンク電解コンデンサの機能は何ですか？」と質問します。「チップの隣にあるセラミックコンデンサの役割は何ですか?」正解が DC バス コンデンサであることを願っています。エネルギー貯蔵に使用され、セラミック コンデンサはフィルタリングに使用されます。
私たちが求める「正しい」答えは、実際、設計チームの全員が場の理論の観点からではなく、単純な回路の観点からコンデンサを検討していることを示しています。回路理論の見方は間違っていません。低周波数 (数 kHz から数 MHz) では、通常、回路理論で問題を十分に説明できます。これは、低周波数では信号が主に差動モードになるためです。回路理論を使用すると、図 1 に示すコンデンサがわかります。ここでは、等価直列抵抗 (ESR) と等価直列インダクタンス (ESL) により、コンデンサのインピーダンスが周波数とともに変化します。
このモデルは、回路がゆっくりと切り替えられた場合の回路パフォーマンスを完全に説明します。ただし、周波数が高くなると、事態はますます複雑になります。ある時点で、コンポーネントは非線形性を示し始めます。周波数が増加すると、単純な LCR モデルには限界が生じます。
今日、私が面接で同じ質問をされたら、場の理論観察眼鏡をかけて、どちらのタイプのコンデンサもエネルギー貯蔵デバイスであると答えるでしょう。違いは、電解コンデンサはセラミックコンデンサよりも多くのエネルギーを蓄えることができることです。しかし、エネルギー伝達の点では、セラミックコンデンサの方がより速くエネルギーを伝達できます。これは、チップのスイッチング周波数とスイッチング速度が主電源回路に比べて高いため、セラミックコンデンサをチップの隣に配置する必要がある理由を説明します。
この観点から、コンデンサの 2 つの性能基準を簡単に定義できます。1 つはコンデンサがどれだけのエネルギーを蓄えることができるか、もう 1 つはこのエネルギーをどれだけ速く転送できるかです。どちらもコンデンサの製造方法、誘電体材料、コンデンサとの接続などに依存します。
回路内のスイッチが閉じている場合 (図 2 を参照)、負荷が電源からのエネルギーを必要としていることを示します。このスイッチが閉じる速度によって、エネルギー需要の緊急性が決まります。エネルギーは光速（FR4材料では光速の半分）で伝わるため、エネルギーの伝達には時間がかかります。さらに、電源と伝送線路および負荷との間にはインピーダンスの不整合があります。これは、エネルギーが 1 回のトリップでは決して伝達されず、複数回の往復で伝達されることを意味します5。そのため、スイッチを素早く切り替えると、スイッチング波形に遅延やリンギングが見られます。
図 2: エネルギーが空間に伝播するには時間がかかります。インピーダンスの不一致により、エネルギー伝達が複数回往復します。
エネルギーの配送には時間がかかり、複数回の往復が必要であるという事実は、エネルギーを負荷のできるだけ近くに移動する必要があり、それを迅速に配送する方法を見つける必要があることを示しています。1 つ目は、通常、負荷、スイッチ、コンデンサ間の物理的距離を減らすことで実現されます。後者は、最小のインピーダンスを持つコンデンサのグループを集めることで実現されます。
場の理論は、コモンモードノイズの原因も説明します。つまり、コモンモードノイズは、スイッチング中に負荷のエネルギー需要が満たされないときに発生します。したがって、負荷と近くの導体の間の空間に蓄えられたエネルギーは、ステップ需要をサポートするために提供されます。負荷と近くの導体との間の空間は、寄生容量/相互容量と呼ばれるものです (図 2 を参照)。
次の例を使用して、電解コンデンサ、積層セラミック コンデンサ (MLCC)、およびフィルム コンデンサの使用方法を説明します。回路理論と場の理論の両方を使用して、選択したコンデンサの性能を説明します。
電解コンデンサは主に DC リンクで主エネルギー源として使用されます。電解コンデンサの選択は、多くの場合、次の要素に依存します。
EMC性能にとって、コンデンサの最も重要な特性はインピーダンスと周波数特性です。低周波伝導性放射は、常に DC リンク コンデンサの性能に依存します。
図 3 に示すように、DC リンクのインピーダンスはコンデンサの ESR と ESL だけでなく、熱ループの面積にも依存します。熱ループの面積が大きいほど、エネルギー伝達に時間がかかることを意味するため、パフォーマンスが低下します。影響を受けます。
これを証明するために、降圧 DC-DC コンバータが構築されました。図 4 に示すプリコンプライアンス EMC テストのセットアップは、150kHz ～ 108MHz の間で伝導性放射スキャンを実行します。
インピーダンス特性の違いを避けるために、このケーススタディで使用するコンデンサがすべて同じメーカーのものであることを確認することが重要です。コンデンサを PCB にはんだ付けするときは、コンデンサの ESL が増加するため、長いリードがないことを確認してください。図 5 に 3 つの構成を示します。
これら 3 つの構成の伝導エミッションの結果を図 6 に示します。単一の 680 µF コンデンサと比較して、2 つの 330 µF コンデンサは、より広い周波数範囲にわたって 6 dB のノイズ低減性能を達成していることがわかります。
回路理論上、2つのコンデンサを並列に接続すると、ESLとESRは両方とも半分になると言えます。場の理論の観点からは、エネルギー源が 1 つだけではなく、2 つのエネルギー源が同じ負荷に供給され、全体のエネルギー伝達時間が効果的に短縮されます。ただし、より高い周波数では、2 つの 330 µF コンデンサと 1 つの 680 µF コンデンサの差は小さくなります。これは、高周波ノイズがステップエネルギー応答が不十分であることを示すためです。330 µF コンデンサをスイッチに近づけると、エネルギー伝達時間が短縮され、コンデンサのステップ応答が効果的に増加します。
この結果は私たちに非常に重要な教訓を教えてくれます。一般に、単一のコンデンサの静電容量を増加しても、より多くのエネルギーに対するステップ要求をサポートできません。可能であれば、より小さな容量性コンポーネントを使用してください。これには多くの正当な理由があります。1つ目はコストです。一般に、同じパッケージサイズの場合、コンデンサのコストは静電容量値に応じて指数関数的に増加します。単一のコンデンサを使用すると、複数の小さなコンデンサを使用するよりも高価になる場合があります。2つ目の理由はサイズです。製品設計における制限要因は通常、コンポーネントの高さです。大容量コンデンサの場合、高さが高すぎることが多く、製品設計には適していません。3 番目の理由は、ケーススタディで確認した EMC パフォーマンスです。
電解コンデンサを使用する際に考慮すべきもう 1 つの要素は、2 つのコンデンサを直列に接続して電圧を共有する場合、バランス抵抗 6 が必要になることです。
前述したように、セラミック コンデンサは、エネルギーを迅速に供給できる小型デバイスです。「コンデンサはどれくらい必要ですか?」という質問をよく受けます。この質問に対する答えは、セラミックコンデンサの場合、静電容量値はそれほど重要ではないということです。ここで重要な考慮事項は、どの周波数でのエネルギー伝達速度がアプリケーションにとって十分であるかを判断することです。100 MHz で伝導性放射が発生しない場合は、100 MHz でのインピーダンスが最も小さいコンデンサが適切な選択となります。
これもMLCCに対する誤解です。エンジニアが長い配線を介してコンデンサをRF基準点に接続する前に、ESRとESLが最も低いセラミックコンデンサを選択することに多くのエネルギーを費やしているのを見てきました。MLCC の ESL は通常、基板上の接続インダクタンスよりもはるかに低いことに注意してください。接続インダクタンスは依然としてセラミック コンデンサの高周波インピーダンスに影響を与える最も重要なパラメータです7。
図 7 は悪い例を示しています。長い配線 (長さ 0.5 インチ) では、少なくとも 10nH のインダクタンスが発生します。シミュレーション結果は、コンデンサのインピーダンスが周波数点 (50 MHz) で予想よりもはるかに高くなることがわかります。
MLCC の問題の 1 つは、MLCC が基板上の誘導構造と共振する傾向があることです。これは、図 8 に示す例で確認できます。10 µF MLCC を使用すると、約 300 kHz で共振が発生します。
より大きな ESR を持つコンポーネントを選択するか、単に小さな値の抵抗 (1 オームなど) をコンデンサと直列に接続することで、共振を減らすことができます。このタイプの方法では、損失の多いコンポーネントを使用してシステムを抑制します。別の方法は、別の静電容量値を使用して、共振をより低いまたはより高い共振点に移動することです。
フィルムコンデンサは多くの用途に使用されています。これらは高出力 DC-DC コンバータに最適なコンデンサであり、電力線 (AC および DC) にわたる EMI 抑制フィルタおよびコモンモード フィルタリング構成として使用されます。X コンデンサを例として、フィルム コンデンサの使用の主要なポイントをいくつか説明します。
サージイベントが発生した場合、ライン上のピーク電圧ストレスを制限するのに役立つため、通常は過渡電圧抑制装置 (TVS) または金属酸化物バリスタ (MOV) と併用されます。
これらすべてをすでにご存知かもしれませんが、X コンデンサの静電容量値は、長年使用すると大幅に減少する可能性があることをご存知ですか?これは、コンデンサが湿気の多い環境で使用される場合に特に当てはまります。X コンデンサの静電容量値が 1 ～ 2 年以内に定格値の数パーセントまでしか低下しないのを見たことがあります。そのため、当初 X コンデンサを使用して設計されたシステムは、実際にはフロントエンド コンデンサが持つ可能性のあるすべての保護を失いました。
どうしたの？湿気が入った空気がコンデンサ、ワイヤを上ってボックスとエポキシポッティングコンパウンドの間に漏れる可能性があります。次に、アルミニウムのメタライゼーションを酸化することができます。アルミナは優れた電気絶縁体であるため、静電容量が減少します。これは、すべてのフィルムコンデンサが遭遇する問題です。私が話しているのは膜の厚さです。評判の良いコンデンサ ブランドはより厚いフィルムを使用しているため、他のブランドよりも大きなコンデンサが生成されます。フィルムが薄いと、コンデンサの過負荷 (電圧、電流、または温度) に対する耐性が低下し、自己修復する可能性が低くなります。
X コンデンサが電源に常時接続されていない場合でも、心配する必要はありません。たとえば、電源とコンデンサの間にハードスイッチがある製品の場合、寿命よりもサイズが重要になる可能性があるため、より薄いコンデンサを選択できます。
ただし、コンデンサを電源に常時接続する場合は、信頼性が高くなければなりません。コンデンサの酸化は避けられないものではありません。コンデンサのエポキシ材料が高品質であり、コンデンサが極端な温度に頻繁にさらされない場合、値の低下は最小限に抑えられます。
この記事では、コンデンサの場の理論的な見方を初めて紹介しました。実際の例とシミュレーション結果は、最も一般的なコンデンサのタイプを選択して使用する方法を示しています。この情報が、電子設計および EMC 設計におけるコンデンサの役割をより包括的に理解するのに役立つことを願っています。
Min Zhang 博士は、EMC コンサルティング、トラブルシューティング、トレーニングを専門とする英国に本拠を置くエンジニアリング会社である Mach One Design Ltd の創設者兼チーフ EMC コンサルタントです。パワー エレクトロニクス、デジタル エレクトロニクス、モーター、製品設計に関する彼の深い知識は、世界中の企業に恩恵をもたらしてきました。
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