スイッチングレギュレータの適切なタイプの出力コンデンサの選択

Aug 18, 2023

このシリーズの以前の記事では、降圧スイッチング レギュレータの電気的動作を検証し、初期インダクタ サイズ設定に関するガイダンスを提供し、インダクタ電流とインダクタンスの微調整について説明しました。 次に、LTspice シミュレーションと以下の回路図 (図 1) を利用して、コンデンサの特性とスイッチモード降圧コンバータの性能の関係を調べます。

スイッチモードレギュレータのインダクタにより、オン/オフのスイッチング動作が可能になり、ランプアップ/ランプダウン電流波形が生成されます。 ただし、インダクタ電流の(潜在的に非常に大きな)変動にもかかわらず、負荷に流れる電流と負荷両端の電圧が安定した状態を保つように、電荷を蓄積および放出する出力容量が必要です。 以下のプロット (図 2) は、C1 に非常に小さな値を使用して出力コンデンサを実質的に削除した場合に何が起こるかを示しています。

したがって、スイッチモードレギュレータの出力コンデンサが重要なフィルタリング機能を果たしていることがわかります。 したがって、このコンポーネントは、コンデンサの種類とその静電容量値の両方に注意して慎重に選択する必要があります。 この記事では、コンデンサの種類に焦点を当てます。 次回は、価値について説明します。

低電圧電子機器で最も一般的に使用される 3 つのコンデンサ技術は、セラミック (MLCC とも呼ばれ、多層セラミック コンデンサを意味します)、アルミニウム電解、およびタンタルです。 スイッチング電源に関連する品質に重点を置き、それぞれの長所と短所を以下にまとめました。 これらは一般化であり、一般化は本質的に、簡潔さと簡潔さのためにある程度の精度を犠牲にすることに留意してください。

スイッチング レギュレータの設計の傾向は、スイッチング周波数の向上に向かっており、これにより出力容量の低減が可能になります。 このため、セラミックは出力コンデンサとしてより現実的な選択肢となります。 このトピックについてさらに詳しく知りたい人は、興味深いセラミック コンデンサの種類に関する私のガイドを参照してください。

全体として、セラミックコンデンサが最も便利だと思います。 セラミックを避けるやむを得ない理由がある場合にのみ、アルミニウム電解またはタンタルを検討します。

どの特性が出力コンデンサのタイプの選択に最も影響を与えるかは、少なくとも部分的には優先順位によって決まります。 ただし、電気的性能に焦点を当てている場合は、等価直列抵抗 (ESR) がおそらく考慮すべき最も重要な要素です。

スイッチモードコンバータ回路では、通常、ESR が低いほど優れています。 ESRが高くなると、出力電圧リップルが高くなり、効率が低下します。 また、レギュレータが指定された出力電圧を維持するために使用する制御ループの安定性に悪影響を与える可能性があります。 ただし、理論的には、スイッチャーの制御ループは高 ESR コンデンサを念頭に置いて設計できるため、安定性のためには ESR が低いほど常に優れているとは言えません。 留意すべき重要な事実の 1 つは、コンデンサの ESR が周波数にわたって一定ではないということです。 回路の動作周波数に対応する ESR 値を使用する必要があります。

既製のスイッチャーを使用している場合は、データシートにコンデンサの部品番号の例や推奨される ESR 範囲が含まれていることを期待します。 また、特にデータシートのガイダンスが限られているか利用できない場合には、シミュレーションが適切なコンデンサ パラメータを特定するのに役立つ場合もあります。また、理想的なコンデンサに ESR を追加して、シミュレーションを実際の電気的動作とより一致させることができます。

実際のコンデンサのより完全なモデルには、ESR と等価直列インダクタンス (ESL) の両方が含まれます。 ESR と ESL の詳細については、バイパス コンデンサに関する私のシリーズのパート 2 を参照してください。

次のプロット (図 3) は、理想化された出力コンデンサ (ESR = 0 Ω、ESL = 0 H) を使用した図 1 のスイッチャ回路の出力リップルを示しています。

次に、出力コンデンサの動作が 0805 セラミック コンデンサの動作とより一致するように、出力コンデンサを変更してみましょう。 等価直列抵抗を 10 mΩ に設定します。これは、スイッチャーの動作周波数 1.5 MHz におけるセラミック コンデンサとしては妥当な値です。 新しい VOUT トレースを以下の図 4 に示します。直接の視覚的比較を容易にするために、垂直軸と水平軸が同一の設定になっています。