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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部品の 1 つです。電子機器 (携帯電話から自動車まで) の数が増加し続けるにつれて、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、半導体からの世界的な部品サプライチェーンが混乱しました。受動部品に供給され、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さまざまな種類があります。次に、同じ種類でも異なるものがあります。誘電体材料。さまざまなクラスもあります。物理的な構造としては、2 端子コンデンサと 3 端子コンデンサのタイプがあります。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 コンデンサを 1 つにカプセル化したものです。スーパーコンデンサについてはどうでしょうか。 ?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ると、簡単に 1 日を過ごすことができます。
この記事は基礎に関する記事なので、いつもとは異なる方法を使用します。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、コンデンサに関するほとんどの質問にはフィールド エンジニアが通常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、実際の例を通してコンデンサの選び方と使い方を説明します。静電容量の劣化など、コンデンサの選択に関するあまり知られていない側面についても説明します。この記事を読んだ後は、コンデンサの使用法をよく理解している必要があります。
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の面接で質問がありました。既存の製品の回路図に基づいて、潜在的な候補者に「DCリンク電解の機能は何ですか」と尋ねます。コンデンサー？」「チップの隣にあるセラミックコンデンサの機能は何ですか?」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。回路理論の観点は間違っていません。低周波（数kHzから）数 MHz まで）の場合、通常、回路理論でこの問題をうまく説明できます。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、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るときの回路パフォーマンスを完全に説明します。しかし、周波数が増加するにつれて、状況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 モデルには限界があります。
今日、インタビューで同じ質問をされたら、私は場の理論観察メガネをかけて、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貯蔵できることです。しかし、エネルギー伝達の観点からは、 、セラミックコンデンサはエネルギーをより速く伝送できます。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。両方と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。
回路内のスイッチが閉じると (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。エネルギーは光の速度 (半分) で伝わるため、 FR4 材料の光の速度)、エネルギーの伝達には時間がかかります。さらに、ソースと伝送線路および負荷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、複数回のトリップで伝達されることを意味します。このため、スイッチが急速に切り替わると、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。
エネルギー伝達には時間がかかり、複数回の往復が必要であるという事実は、エネルギー源をできるだけ負荷の近くに配置する必要があること、そしてエネルギーを迅速に伝達する方法を見つける必要があることを示しています。最初の方法は、通常、物理的な負荷を軽減することによって達成されます。負荷、スイッチ、コンデンサ間の距離。後者は、インピーダンスが最も小さい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、負荷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)。
以下の例を使用して、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示します。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、次の条件によって決まります。
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では、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、長いリードがないことを確認してください。これにより、コンデンサの ESL が増加します。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。
回路理論から見ると、2つのコンデンサを並列接続することでESLとESRが半分になると言えます。場の理論から見ると、エネルギー源は1つだけではなく、同じ負荷に2つのエネルギー源が供給されることになります。これにより、全体のエネルギー伝送時間が効果的に短縮されます。ただし、周波数が高くなると、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しているためです。330 µF コンデンサを近くに移動すると、スイッチを使用すると、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、非常に重要な教訓を教えてくれます。単一のコンデンサの静電容量を増やすと、一般に、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。一般的につまり、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可能性があります。2 番目の理由はサイズです。通常、製品設計の制限要因は高さです。大容量コンデンサの場合、製品設計に対して高さが大きすぎることがよくあります。3 番目の理由は、ケーススタディで確認した EMC 性能です。
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素早く供給できる小型デバイスです。「どのくらいのコンデンサが必要ですか?」という質問をよく受けますが、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 で伝導性放射が機能しない場合は、100 MHz で最小のインピーダンスを持つコンデンサが適切な選択となります。
これも MLCC に関する誤解です。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、かなり高いことは言及する価値があります。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導入されます。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示されています。
MLCC の問題の 1 つは、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 に示す例でわかります。10 µF MLCC を使用すると、約 300 kHz で共振が生じます。
より大きな ESR を持つコンポーネントを選択するか、小さな値の抵抗 (1 オームなど) をコンデンサと直列に配置するだけで、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。もう 1 つの方法は、別の静電容量を使用することです。値を調整して、レゾナンスをより低いまたはより高いレゾナンスポイントに移動します。
フィルム コンデンサは多くのアプリケーションで使用されています。フィルム コンデンサは、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) 間の EMI 抑制フィルタおよびコモンモード フィルタ構成として使用されます。X コンデンサを次のように考えます。フィルム コンデンサを使用する際の主要なポイントを説明するための例です。
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、長年の使用により大幅に減少する可能性があることをご存知でしたか?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 コンデンサは 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。
それで、何が起こったのでしょうか?湿気の空気がコンデンサ、ワイヤ上、および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。その後、アルミニウムのメタライゼーションが酸化する可能性があります。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。これは問題です。すべてのフィルムコンデンサは遭遇するでしょう。私が話している問題は膜の厚さです。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になります。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）に対する耐久性が低くなります。そして自然治癒する可能性は低いです。
X コンデンサが電源に永続的に接続されていない場合は、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ります。そうすれば、より薄いコンデンサを選択できます。
ただし、コンデンサが電源に常時接続されている場合、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、コンデンサの酸化は避けられません。値は最小限にする必要があります。
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種類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が役に立っています。世界中の企業。
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