スイッチング電源のEMC設計におけるコンデンサの特性評価
多くの電子設計者は、電源におけるフィルタコンデンサの役割を認識していますが、スイッチング電源出力にはフィルタコンデンサが使用され、工業用周波数回路でフィルタコンデンサとして選択されるのは通常電解コンデンサとは異なります。その脈動電圧の周波数はわずか100ヘルツで、充放電時間はミリ秒オーダーであり、より小さな脈動係数を得るためには、最大数十万マイクロファラッドの静電容量が必要になります。 小さな脈動係数を得るためには、必要な静電容量が数十万マイクロファラッドと高いため、一般的な低周波コンデンサは通常のアルミ電解コンデンサを使用して製造され、主に静電容量の向上が目標となっています。
スイッチングレギュレータでは、出力フィルタとして電解コンデンサを使用しますが、鋸波電圧の周波数は数十キロヘルツ、あるいは数十メガヘルツにまで及びます。その要件と低周波アプリケーションは異なります。容量は、その良し悪しを測る主な指標ではなく、インピーダンスと周波数特性です。スイッチングレギュレータの要件は、周波数帯域内でのインピーダンスが低いことです。同時に、電源の場合、半導体デバイスが動作し始めると、内部電源に対して、半導体デバイスによって数百キロヘルツもの高周波数でスパイクノイズが発生しますが、フィルタリング効果も良好です。一般に、通常の電解コンデンサでは、低周波が 10 キロヘルツ程度になると、インピーダンスが誘導性を示し始め、スイッチング電源の使用要件を満たすことができなくなります。
スイッチング安定化電源専用の高周波アルミ電解コンデンサは、4 端子コンデンサを備えており、正極アルミ片の両端の正極がコンデンサとして、負極アルミ片の両端の負極が負極として機能します。安定化電源の電流は、4 端子コンデンサの正極端から流入し、コンデンサ内部を通過して別の正極端から負荷に流れ込みます。負荷からコンデンサの負極端に電流が流れ込み、別の負極端から電源の負極端に流れ込みます。
4端子コンデンサは高周波特性が優れているため、スイッチングスパイクノイズの抑制だけでなく出力電圧の脈動成分の低減にも極めて有利な手段となります。
高周波アルミ電解コンデンサも多芯の形式をとっており、アルミ箔を複数の短いセクションに分割し、複数のリードシートを並列に接続して、静電容量インピーダンスの抵抗成分を減らします。同時に、リード端子として低抵抗材料とネジを使用し、コンデンサの高電流に耐える能力を高めます。
積層コンデンサは非誘導性コンデンサとも呼ばれ、一般的な電解コンデンサは円筒形のコアに巻かれており、等価直列インダクタンスは大きくなります。積層コンデンサは、その構造が本コンデンサと似ており、電流の流れによって発生する磁束の方向が逆になるため、インダクタンス値が低下し、高周波特性がより優れています。コンデンサは、一般的に固定しやすいように四角形に作られていますが、機械のサイズを考慮して適切に縮小することもできます。
さらに、4端子と積層4端子を組み合わせた高周波電解コンデンサもあり、両方の利点を組み合わせ、高周波特性が向上します。
