スイッチング電源を構築する際、フィルタコンデンサはどのように選択すればよいでしょうか?
フィルタコンデンサはスイッチング電源において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している問題です。 パワーフィルター回路には、100uF、10uF、100nF、10nFなど、異なる容量値のさまざまなコンデンサーが表示されますが、これらのパラメーターはどのように決定されるのでしょうか? 他人の回路図をパクリしたとは言わないでね。
50Hzの電源周波数回路で使用される一般的な電解コンデンサの場合、脈動電圧周波数はわずか100Hzで、充放電時間はミリ秒程度です。 より小さな脈動係数を得るためには、数十万μFもの静電容量が必要となります。 したがって、一般的な低周波用アルミ電解コンデンサは静電容量を大きくすることが目的となります。 長所と短所の主なパラメータ。 しかし、スイッチング電源の出力フィルタ用電解コンデンサの電圧周波数は数十kHz、場合によっては数十MHzにもなるノコギリ波です。 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使用周波数内で等価インピーダンスが低く、かつフィルタリングが良好であることが求められます。半導体デバイスの動作時に発生する高周波スパイクへの影響。
通常の低周波電解コンデンサは10kHz付近から誘導性を示し始めるため、スイッチング電源の要件を満たすことができません。 スイッチング電源専用の高周波アルミ電解コンデンサは4端子です。 プラス側のアルミニウムシートの両端はコンデンサのプラス極としてそれぞれ引き出され、マイナス側のアルミニウムシートの両端もそれぞれマイナス電極として引き出される。 電流は4端子コンデンサの一方のプラス端子から流れ込み、コンデンサの内部を通過し、もう一方のプラス端子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マイナス端子から流れ込み、もう一方のマイナス端子から電源のマイナス端子に流れます。
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、スイッチングスパイクノイズを抑制するのに非常に有利です。 高周波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部分に分割し、複数のリード線を並列に接続した多芯形状となっています。 また、引き出し端子に低抵抗材料を使用することで、大電流に対するコンデンサの耐量が向上しました。
デジタル回路が安定して確実に動作するためには、電源が「クリーン」である必要があり、エネルギーの補充が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。 フィルタリングとデカップリングとは何か、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ようにすることです。 この責任は DCDC と LDO にあるわけではない、とは言わないでください。 はい、低周波数では処理できますが、高速デジタル システムでは異なります。
まずはコンデンサを見てみましょう。 コンデンサの機能は単に電荷を蓄えることです。 コンデンサ フィルタリングを電源に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各チップの電源ピンに {{0}}.1uF コンデンサを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隣は 0.1uF または 0.01uF です。はい、どういう意味ですか? この真実を理解するには、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単なる電荷の蓄積、つまり C です。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。 電源の完全性を解析する場合、一般的に使用されるコンデンサ モデルを次の図に示します。
図中、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は真の理想コンデンサです。 ESRとESLはコンデンサの製造プロセスや材料によって決まり、完全に取り除くことはできません。 これら 2 つ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。
コンデンサの容量性リアクタンス Zc=1/ωC、インダクタの誘導性リアクタンス Zl=ωL、(ω=2πf)、および実際のコンデンサの複素インピーダンスがわかっています。は Z=ESR に jωL-1/jωC=ESR を加えた j2πf L-1/j2πf c です。 周波数が非常に低い場合にはキャパシタンスの役割があり、周波数がある程度高い場合には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の役割が大きくなることがわかります。主役。 コンデンサはフィルタ効果を失います。 したがって、周波数が高い場合、コンデンサは単なるコンデンサではないことに注意してください。
前述したように、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や材質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は数十分のnHから数nHの範囲であり、パッケージが小さくなるほどESLは小さくなります。
上記のコンデンサのフィルタ曲線から、それが平坦ではなく、「V」のような形であること、つまり周波数選択特性を持っていることもわかります。できるだけ平坦であることが望まれます(前段のボードレベルのフィルタリング）、また、可能な限り鮮明にしたい場合もあります（フィルタリングまたはノッチング）。 この特性に影響を与えるのはコンデンサの品質係数 Q=1/ωCESR であり、ESR が大きいほど Q は小さくなり、曲線は平坦になります。 逆に、ESRが小さいほどQは大きくなり、曲線はより鋭くなります。 通常、タンタル コンデンサやアルミニウム電解コンデンサは ESL が比較的小さいですが、ESR が大きいため、タンタル コンデンサやアルミニウム電解コンデンサは有効周波数範囲が広く、フロントエンド ボードのレベル フィルタに非常に適しています。 つまり、DCDCやLDOの入力段のフィルタリングには大容量のタンタルコンデンサがよく使われます。 また、デカップリングのためにチップの近くに 10 μF と 0.1μF のコンデンサを配置します。セラミック コンデンサは ESR が非常に低くなります。
