第101回：電気・電子回路におけるコンデンサ　－コンデンサ並列接続－

電気・電子回路におけるコンデンサ　－コンデンサ並列接続－

①はじめに

今回は予定を変更して、前回に引き続き、DC／DCの出力コンデンサについて取り上げます。信号系のコンデンサについては、次回以降で取り上げますので、ご了承願います。

スイッチング電源に取り組む際に、必ず問題となるのは、スパイクノイズでしょう。種々の対策を施しても、簡単には消えてくれません。回路設計のみならず、部品の選定・配置、基板パターンなど、多くの要素が複雑に絡んでいるため、かなり「手強いシロモノ」です。

さて、前回のシミュレーション回路で確認したように、昇圧DC／DC回路では、スパイクノイズが顕著に現れていましたので、スパイクノイズ対策の参考例として、出力コンデンサについて掘り下げてみたいと思います。

②DC／DC回路の出力コンデンサについて

シミュレーション

シミュレーションファイル「昇圧DC／DC_出力コンデンサ_並列.asc」を参照してください。この中に収められている６種類の回路を順に説明します。

左側の３つの回路は、出力コンデンサ１つです。容量値Co＝10μF、等価直列抵抗Rs＝1mΩ、等価直列インダクタンスLs＝0.1nHの出力コンデンサの回路では、スパイクノイズのレベルは、三角波形状のリップルノイズのレベルと同等（60mVpp程度）に抑えられていますので、このレベルを目標と考えて、以降の回路を評価します。

Co＝10μF、Rs＝0.1Ω、Ls＝10nHの出力コンデンサの回路では、6Vppほどのスパイクノイズが見られます。Rs、Lsの値は、アルミ電解コンデンサを使い、あまり適切ではない配線パターンで実装した場合を想定していますが、数値そのものにはこだわらずに、定性的に考えてください。

Co＝20μF、Rs＝0.1Ω、Ls＝10nHの出力コンデンサの回路でも、6Vppほどのスパイクノイズが見られます。容量値を２倍にしても、スパイクノイズは全く改善されていません。

皆さんの中には、「容量の大きなコンデンサに替えたら、スパイクノイズが小さくなった」経験がある方が居られるかもしれませんが、おそらく、結果としてRs、Lsが小さくなったのではないかと推測します。逆に、「容量の大きなコンデンサに替えると、スパイクノイズが大きくなってしまう」かもしれません。結果的にRs、Lsが大きくなる場合もあり得ると思います。

右側の３つの回路は、コンデンサ２つを並列接続しています。Co＝5μF、Rs＝0.1Ω、Ls＝10nHのコンデンサを２つ並列接続とした回路では、3.3Vppほどのスパイクノイズとなっており、出力コンデンサ１つの回路に比べて、半分近くまで改善されています。２つのコンデンサをCo＝10μFとしてもスパイクノイズは3.3Vppで変わっていません。並列接続の場合でも、容量値の増大は、スパイクノイズの改善には寄与しないようです。

Co＝10μF、Rs＝0.1Ω、Ls＝10nHのコンデンサと、Co＝0.1μF、Rs＝10mΩ、Ls＝1nHのコンデンサを並列接続した回路では、0.6Vppほどのスパイクノイズとなっており、目標値には及ばないものの、出力コンデンサ１つの回路に比べて十分の一ですから、大幅に改善されています。

このコンデンサの組み合わせは、10μFのアルミ電解コンデンサと0.1μFのチップセラミックコンデンサを想定しているものですが、上述と同様に、数値そのものでなく、定性的に判断してください。

今回のまとめ

コンデンサ単体で考えれば、チップセラミックコンデンサのRs、Lsは、かなり小さいのですが、不適切な配線パターンとしてしまうと、その寄生インダクタンスによって、チップセラミックコンデンサの「良さ」を活かせませんので注意しなければなりません。

次回は、信号系に使われているコンデンサについて取り上げる予定です。

今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、リニアテクノロジーのサイトよりLTspiceIVをダウンロードしてご利用下さい。