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電源アプリケーション用出力コンデンサを選択する

2022年12月6日 Bruce Rose著 - 10分の閲読

電源アプリケーション用出力コンデンサを選択する

はじめに

ほぼすべての電源アプリケーション回路を見ると、負荷状態の電源の出力にはコンデンサがあります。電源ベンダーによく聞かれる質問の1つは、「電源に必要な出力コンデンサは?そしてそのコンデンサの選択方法とは?」です。このディスカッションでは、この質問の両面について取り上げます。

給電に関する簡単な概要

電源と電源の出力を負荷に接続するいくつかのコンデンサのある負荷が、給電システムの簡単な概要です。ほとんどのアプリケーションでは、「電源(power supply)」は電圧供給(voltage supply)と呼ばれ、最大定格電力レベルまで負荷に一定の電圧を供給します。電圧供給と電源の違いについては既に議論しましたので、今後はこの用語を互換的に使用しますが、ここで議論している電源は電圧供給とします。

詳しく見てみると、電源は負荷に対して一定の電圧を供給しようとしますが、負荷電流が変化すると、負荷に供給される電圧も変化します。負荷に供給される電圧の変化は、電源で直接出力電圧の変化と、電源を負荷に接続するコンダクタに沿った電圧降下の両方から生じます。

図1:簡素化された給電回路
図1:簡素化された給電回路

電圧偏差の原因

多くの設計では、負荷電流の変化による電源からの出力電圧の主な変化は、電源の帯域幅や電源と負荷との間のコンデンサの寄生インピーダンスによって引き起こされます。特性を補正するためにバイパス コンデンサを使用する方法について議論する前に、これらの特性について簡単に説明します。

電源の帯域幅

電源は、電源からの実際の出力電圧を電源の内部の基準電圧と比べ、その後実際の電圧と必要な電圧との間の差を最小化するために指令出力電圧を調整することで構築されます。

図2:電源の制御ループの図
図2:電源の制御ループの図

電源トポロジはフィードバックループであるため、システムのパラメータに依存する電源応答に関連する帯域幅があります。ほとんどの電源はスイッチング電源ですので、帯域幅はスイッチング周波数の約1/10~1/4に制限されています。ほとんどのスイッチング電源において、スイッチング周波数が約30kHz~300kHzであると仮定すると、帯域幅は3kHz(30kHz/10)~75kHz(300kHz/4)になります。このディスカッションでは、電源に対して10 kHz帯域幅を想定しています。

単極システムの10%~90%の立ち上がり時間は、Tr = 0.35/BW(Trは秒単位のシステムの10~90%の立ち上がり時間、BWはヘルツ単位のシステムの帯域幅)と概算できるため、10kHzの帯域幅を持つシステムは、立ち上がり時間 35μs(Tr = .35/104 = 35 μs)になります。この電源の立ち上がり時間は、電源がステップ負荷電流に反応するまでの時間の近似値として見ることができます。ステップ負荷電流が増加すれば、電源が新しい負荷電流需要を満たすために反応している間に負荷状態の電圧が下がります。ステップ負荷電流が減少すれば、電源が新しい負荷電流需要を満たすために反応している間に負荷状態の電圧が跳ね上がります。

負荷状態で配置されているコンデンサは、負荷電流の過渡変化と電圧源によって供給される電流との間の差をバッファする充電リザーバとして機能することができます。エレクトロニクスの始まりに戻ると、電流、静電容量、電圧変化の経時的な関係を示す方程式1が思い出されます。この方程式は、静電容量が既知の場合は電流の変化によって引き起こされる電圧偏差、あるいは電流の変化によって引き起こされる電圧偏差を制限するのに必要な静電容量を解くために並べ替えることもできます。

式1
式1

例えば、10 kHzの帯域幅とすると、出力電圧を公称出力の120mV以内に維持する必要があり、出力電流の変化が2Aの場合、負荷状態で必要な最小静電容量は583μFになります。

方程式2
方程式2

電源コンダクタの寄生インピーダンス

電源と負荷との間のコンデンサの関連では、寄生抵抗とインダクタンスがあり、これは図3に示されています。寄生抵抗とインダクタンスにより、負荷に供給される電圧は、付加電流の変化に応じて変化します。負荷状態のときに存在する電圧(Vload)は、供給電圧(Vsupply)であり、負荷電流(I)を乗じた寄生抵抗(Rp)によって減少し、負荷電流の変化(dI/dt)を乗じた寄生インダクタンス(Lp)によっても減少します。これは、方程式3に示されています。

方程式3
方程式3
図3:コンダクタの寄生抵抗とインダクタンスを含む給電回路
図3:コンダクタの寄生抵抗とインダクタンスを含む給電回路

ここで好ましくないのは、負荷過渡電流によって生じる電圧逸脱であり、電力送達導体の寄生インピーダンスは、負荷電流の変化と負荷電流の変化率の両方に依存するため、計算が困難になることがあります。幸い、低い寄生抵抗とインダクタンスで、給電コンダクタを指定するのは比較的簡単です。大口径のワイヤーや広いPCBトレースなど、面積の大きい導体を使用することで、低い寄生抵抗を達成できます。低い寄生インダクタンスは、2つの電力導体間に小さなループ領域を作ることで達成されます。図4に示されている、導体間のループ面積を最小化する一般的な方法には、ケーブルをきつく束ねる、2つのコンダクタを相互にねじる、PCBトレースを互いに近接させておこなう、接地面上で電力トレースをおこなう、などがあります。

図4:導体インダクタンスを最小限に抑える一般的な方法
図4:導体インダクタンスを最小限に抑える一般的な方法

コンデンサの選択

前のセクションでは、電圧の逸脱を特定のレベルに低減するために負荷状態でどの程度の静電容量を配置するかを決定する方法について議論しましたが、負荷状態でどのタイプのコンデンサを配置すべきかについても懸念があります。コンデンサを選択する最初の基準の1つとなるのは、おそらく、どの程度の静電容量が必要かということです。必要な静電容量が数十マイクロファラドより大きい場合、タンタルコンデンサまたは電解コンデンサのいずれかが好ましいコンデンサ技術になります。これらの技術で作られたコンデンサは、合理的にコンパクトで手頃な価格になります。必要なコンデンサが数十マイクロファラド以下の場合、そのサイズではよりコンパクトで手ごろな価格であるセラミックコンデンサが多くの場合、好ましい選択となります。多くのセラミックコンデンサの静電容量の値は、コンデンサの定格電圧に近いDC電圧が印加されると、大幅に低減されるということには留意してください。このトピックに関してウェブ検索することで、この問題に関する詳しい情報を得ることができます。

コンデンサの寄生エレメント

サイズやコストの懸念だけでなく、コンデンサ内の寄生インダクタンスや抵抗の値は、コンデンサ技術の選択に影響を与える可能性があります。コンデンサ内の内部コンダクタは、コンデンサの性能に影響を与える関連抵抗やインダクタンスを有します。

図5:コンデンサ インピーダンス対周波数のグラフ(左)、ESRとESLを含む回路図モデル(右)
図5:コンデンサ インピーダンス対周波数のグラフ(左)、ESRとESLを含む回路図モデル(右)

コンデンサモデルのインピーダンスの簡単なグラフは、より低い周波数でのコンデンサ値によって、より高い周波数でのESLによって、CおよびESL値の共鳴周波数に近いESR値によって支配される挙動を示します(図5)。インピーダンスのグラフを見てみると、必要なキャパシタンスの値については先に説明しましたが、ESLとESRがより高い周波数でのキャパシタンスの有効性を決定していることは明らかです。

コンデンサを並列に配置する

その構造の性質上、電解コンデンサはESLとESRの値が高い傾向があり、タンタルコンデンサはESLとESRの値が低く、セラミックコンデンサはESLとESRの値が最低である傾向があります。コンデンサを並列に配置すると、Cの値が増加し、ESLとESRが減少します。異なる構造技術のコンデンサを並列に配置すると、インピーダンスが低減し、周波数に広がるインピーダンスの影響も広がります。

図6:類似した並列コンデンサ(左)と異なる並列コンデンサ(右)のインピーダンスと周波数の比較
図6:類似した並列コンデンサ(左)と異なる並列コンデンサ(右)のインピーダンスと周波数の比較

セラミックコンデンサは高周波数過渡電流に対処するだけでなく、電解コンデンサは高エネルギーと低周波数の問題に対処できるため、小さい値を持つ小さい値のセラミックコンデンサを、大きい値を持つ電解コンデンサと並行して配置することが効果的です。より高い周波数での過渡電流のエネルギーは、より低い周波数でのエネルギーよりもはるかに小さいため、セラミックコンデンサの値は、電解コンデンサのそれよりもはるかに小さくなることがあります。

概要

これまでの議論から、負荷電流過渡と電源の有限帯域幅応答による電圧上昇を抑えるために、負荷の電源端子間にコンデンサを配置することが多いことが理解できるでしょう。使用するコンデンサの値と種類は、電源の帯域幅、負荷過渡電流の大きさ、負荷過渡電流の周波数成分、負荷過渡電流によって生じる電圧変動の許容レベルによって異なります。これらの問題に関する詳細とサポートについては、CUIなどの電源ベンダーのテクニカルサポートチームにご連絡ください。

カテゴリ: 基礎製品選択テストおよび故障分析

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Bruce Rose

Bruce Rose

主席アプリケーションエンジニア

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

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