電源フィルタリングに最適なキャパシタの選択

任意の調整電源は、レギュレータセクションへの入力および出力において低ノイズで設計される必要があります。ノイズを低減するには、電源に適したフィルタキャパシタを選択することが重要です。電流に応じて、これらのキャパシタは非常に大きくなることがありますし、多数のキャパシタを並列に配置する必要があるかもしれません。適切なキャパシタ（またはキャパシタバンク）を使用することで、整流器からの電圧リップルを抑制しつつ、長寿命を確保できます。

「フィルタキャパシタ」という話題のほとんどは整流器の出力キャパシタを指すことが多いですが、電圧レギュレータの出力にあるキャパシタを指すこともあります。フィルタキャパシタは、電源の入力にあるEMIフィルタのコンポーネントを指すこともあります。幸いなことに、電源フィルタリングに最適なキャパシタを選択する際には、同じ原則のいくつかが適用されます。電源キャパシタの選択方法についてのガイドをご覧ください。

電源フィルタリングに最適なキャパシタは何ですか？

DigiKeyにアクセスしてフィルタリングキャパシタのページを開きたいと思うほど簡単ではありません。実際には、異なるキャパシタが異なる目的に役立ち、様々なキャパシタの仕様がその適切な用途を決定します。明らかに、リップル抑制を提供するために適切な値にキャパシタをサイズする必要がありますが、単にキャパシタンスを計算すること以上のことが求められます。

電源フィルタリングに最適なキャパシタを選択するためには、キャパシタのデータシートに入り込んでいくつかの仕様を詳しく調べる必要があります。重要な仕様は以下の通りです：

• コンデンサの材質：コンデンサはセラミック、電解、タンタル、ポリエステル、その他の材質である可能性があります。これにより、有用な容量範囲が決まり、電圧定格や寄生成分などの他の仕様も決定されます。

• 動作電圧定格：これは、コンデンサに適用できる最大の直流または交流RMS電圧を示します。指定された動作電圧は、特定の動作温度範囲内で有効であり、グラフに表示されることがあります。

• 寄生成分または自己共振周波数：これらの仕様は、メーカーによって異なる方法で記載されます。メーカーはESRおよびESL値のみを記載するか、またはESLおよびQ因子値を記載し、これらを使用して自己共振周波数と帯域幅を計算できます。または、インピーダンススペクトルがグラフに表示され、これを使用してESRおよびESL値を計算できます。

• 温度係数：ほとんどの設計者はこれを気にしませんが、実際のコンデンサの容量は温度とともに変化するため、重要になります。したがって、製品が広い温度範囲で動作する場合は、最小の温度係数を持つコンデンサを選択する必要があります。

• 偏極：DC回路のフィルタコンデンサには、電場がコンデンサを通って指すべき方向を示す特定の偏極があります。偏極されたコンデンサに過大なAC電圧がかかると、部品が早期に破壊される可能性があります。

これらの仕様範囲は、あなたが取り組む関連するフィルタリングアプリケーションをすべてカバーします。整流器出力コンデンサ、EMIフィルタコンデンサ、または電力レギュレータ出力コンデンサを選択するコツは、必要な容量値を他の重要な仕様とバランスさせることです。ブロック図は、設計において異なるタイプのコンデンサを選択する必要があるいくつかの箇所を示しています。

上記は、フィルタリングコンデンサを配置する3つの典型的な箇所と、各ケースでの重要なパラメータを示しています。

整流器出力フィルタリング

ここでは、容量値とESR値が重要な点です。これらの値は2つの理由で重要です。まず、コンデンサは、線の振動の半周期中にリップル電圧が最小限に抑えられるようにサイズを決める必要があります。必要なコンデンサのサイズを決めるには、以下に示す式を使用します：

特定の値でピークtoピークリップルを保持するために必要なコンデンサ値。

ここでの現行用語は、整流時に整流器の電流と電圧が低下する際にコンデンサによって供給される必要がある電流を指します。与えられた電流に対して、所望の電圧リップル（振幅変化として）を選択し、必要なコンデンサ値を計算するだけです。理論的には、無限の容量はゼロのリップルを生み出します。

ESR値は、コンポーネントが充電および放電する際にコンデンサ内の導体がどれだけ速く加熱するかを決定する寄生要素です。ESRはまた、コンデンサが放電できる最小の時間量も定義します。グリッド電源に接続されたシステムでは、50または60 Hzで動作するため、放電時間について心配する必要はありません。フィルタコンデンサは、低ESR値を持ちながらも高い容量を提供するように選ばれるべきです。セラミックスは非常に低いESRを傾向とするため、ここでは良い選択です。

EMIフィルタリング

EMIフィルタを設計する際の重要な点は、回路のトポロジーと正確な容量値です。自己共振もここで重要です。なぜなら、システムがコンデンサの自己共振周波数を超えて動作する場合、コンデンサは異なる値を「持つ」ように「振る舞う」からです。さらに、他のリアクティブコンポーネント（例えば、インダクタ、チョーク、またはフェライト）がコンデンサと相互作用し、複雑な結合振動を生み出します。フィルタリングに必要な正しい容量を決定するために、設計をシミュレーションで検証してください。

電源ライン上のEMIフィルタリングの主な目標は、共通モードおよび差動モードノイズのキャンセルです。私は常にACラインに接続されたEMIフィルタには無極性コンデンサを使用し、他の設計者にも同じことを推奨します。すべてのコンデンサの自己共振周波数が、気になるノイズ帯域幅に十分大きい限り、それほど心配する必要はありません。

レギュレータ出力

レギュレータ（例えば、スイッチングレギュレータやLDO）の出力に配置された場合、コンデンサは二重の役割を果たします。第一に、スイッチング中に充電および放電することでDC出力を安定させることがその役割です。第二に、高周波数の導電性EMIをグラウンドにシャントすることがその役割です。自己共振周波数が十分に高い限り、偏極または無極性のコンデンサをこの用途に使用できます。

スイッチングレギュレータの場合、レギュレータ内のPWM信号は数百MHzに及ぶ高調波を生成し、これが放射EMIおよび出力上の導電性EMIとして現れます。このEMIは、レギュレータのスイッチングMOSFETの出力にフェライトを追加するなどして回路に少量の減衰を加えることで減少させることができます。ここでの課題は、自己共振が十分に高いコンデンサを使用することであり、電流が十分に低ければ高いESRを持つものを使用することもあります。出力電流が大きい場合は、自己共振により多くの減衰を誘導するためにフェライトまたはインダクタを使用してください。

減衰が自己共振に与える影響。左側では、システムに減衰を増加させることで、共振時のキャパシタのインピーダンスが増加します。スイッチングコンバーターにおける放射EMIへの影響（出力キャパシタ自己共振 = 146 MHz）が右側に示されています。

電源設計以外でキャパシタを使用するもう一つの重要な用途は、高周波/高速回路のインピーダンスマッチングネットワークです。しかし、インピーダンスマッチングにリアクティブコンポーネントであるキャパシタを使用することは、高速ドライバー/レシーバーペアよりもアンテナに対して一般的です。このキャパシタの使用側面はもう少し専門的であり、将来の記事で取り上げる可能性があります。

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