フィルタ コンデンサは、スイッチング電源で非常に重要な役割を果たします。 フィルタ コンデンサを正しく選択する方法、特に出力フィルタ コンデンサの選択は、すべてのエンジニアや技術者が非常に懸念する問題です。 パワー フィルタ回路には、100uF、10uF、100nF、10nF のさまざまな容量値のさまざまなコンデンサが見られますが、これらのパラメータはどのように決定されるのでしょうか。 他人の回路図をコピーしたなんて言わないでくださいね。
50Hzの商用周波数回路で使用される一般的な電解コンデンサは、脈動電圧の周波数がわずか100Hzで、充放電時間はミリ秒のオーダーです。 より小さな脈動係数を得るために必要な容量は数十万μFにも及ぶため、通常の低周波用アルミ電解コンデンサは大容量化を目指します。 長所と短所の主なパラメータ。 スイッチング電源の出力フィルタ用電解コンデンサには、数十kHz、さらには数十MHzの鋸波電圧周波数があります。 現時点では、静電容量は主な指標ではありません。 高周波アルミ電解コンデンサの品質を測定する基準は「インピーダンス-周波数」特性であり、スイッチング電源の動作周波数内でより低い等価インピーダンスを必要とし、同時に高周波に対して良好なフィルタリング効果があります。半導体デバイスの動作時に発生する周波数スパイク信号。
通常の低周波用電解コンデンサでは10kHzあたりからインダクタンスが現れ始め、スイッチング電源の要求を満たせません。 スイッチング電源専用の高周波用アルミ電解コンデンサは4端子です。 電流は、4 端子コンデンサの一方のプラス端から流れ、コンデンサの内部を通過して、もう一方のプラス端から負荷に流れます。 負荷から戻る電流もコンデンサの一方の負端から流れ、次にもう一方の負端から電源の負端に流れます。
四端子コンデンサは高周波特性が良いため、電圧の脈動成分を低減し、スイッチングピークノイズを抑える手段として非常に有効です。 高周波用アルミ電解コンデンサも、容量性リアクタンスのインピーダンス成分を低減するために、アルミ箔をいくつかの短いセクションに分割し、複数の引き出しシートを並列に接続するマルチコア形式を持っています。 また、抵抗率の低い材料を引き出し端子として使用することで、コンデンサの大電流に耐える能力を向上させます。
デジタル回路は安定して確実に動作する必要があり、電源は「クリーン」である必要があり、エネルギー供給はタイムリーである必要があります。つまり、フィルタリングとデカップリングが良好でなければなりません。 フィルタ デカップリングとは、簡単に言えば、チップが電流を必要としないときにエネルギーを蓄え、電流が必要なときにエネルギーを補充できるということです。 この責任は DCDC と LDO の責任ではないことを教えてください。 はい、低周波で処理できますが、高速デジタル システムは異なります。
まずはコンデンサーから見ていきましょう。 コンデンサの役割は、単に電荷を蓄えることです。 電源にコンデンサ フィルタリングを追加する必要があること、およびデカップリングなどのために {{0}}.1uF コンデンサを各チップの電源ピンに配置する必要があることは誰もが知っています。一部のボード チップの電源ピンの横にあるコンデンサは 0.1uF または 0.01uF です。 これを理解するには、コンデンサの実際の特性を理解する必要があります。 理想的なコンデンサは電荷 C を蓄えたものにすぎません。しかし、実際に製造されるコンデンサはそれほど単純ではありません。 電力の完全性を分析する場合、一般的にコンデンサ モデルを使用します。
スイッチング電源の設計でフィルタ コンデンサを正しく選択するにはどうすればよいですか?
ESR はコンデンサの直列等価抵抗、ESL はコンデンサの直列等価インダクタンス、C は実際の理想的なコンデンサです。 ESR と ESL はコンデンサの製造プロセスと材料によって決まり、なくすことはできません。 これら 2 つのことは回路にどのような影響を与えますか? ESR は電源のリップルに影響し、ESL はコンデンサのフィルタ周波数特性に影響します。
コンデンサの容量リアクタンス Zc=1/ωC、インダクタの誘導リアクタンス Zl=ωL、(ω=2πf)、実際のコンデンサの複素インピーダンスはZ=ESR プラス jωL-1/jωC=ESR プラス j2πf L-1/j2πf C。周波数が非常に低い場合、静電容量は一定の周波数になるとインダクタンスの役割が無視できなくなり、周波数が高くなるとインダクタンスが主役になります。 コンデンサはフィルタリング効果を失います。 覚えておいてください、コンデンサは高周波のコンデンサだけではありません。
前述のように、コンデンサの等価直列インダクタンスは、コンデンサの製造プロセスと材料によって決まります。 実際のチップセラミックコンデンサのESLはコンマ数nHから数nH程度です。 パッケージが小さいほど、ESL は小さくなります。
コンデンサのフィルタ曲線では、フラットではなく、「V」のような形をしていることもわかります。これは、周波数選択特性があることを意味します。 可能な限り鮮明にしたい場合があります（フィルターまたはノッチ）。 この特性に影響を与えるのは、コンデンサの品質係数 Q{{0}}/ωCESR です。 ESR が大きいほど、Q は小さくなり、曲線はより平坦になります。 逆に ESR が小さいほど Q は大きくなり、曲線は急峻になります。 一般に、タンタル コンデンサとアルミニウム電解は比較的 ESL が小さく、ESR が大きいため、タンタル コンデンサとアルミニウム電解は有効な周波数範囲が広く、前段のボード レベルのフィルタリングに非常に適しています。 つまり、DCDC または LDO の入力段は、多くの場合、大容量のタンタル コンデンサでフィルタリングされます。 また、10uF と 0.1uF のコンデンサをチップの近くに配置してデカップリングを行います。セラミック コンデンサの ESR は非常に低くなります。
