セラミックコンデンサの最大電圧とディレーティング

最大定格電圧以下でほぼ任意のキャパシタを動作させることは、長い動作寿命を保証します。キャパシタの性能は、定格限界に近づく電圧の適用と高温への露出に応じて劣化します。適用電圧を制限することを選択することで、これらの劣化効果を減少させることができます。

セラミックキャパシタは、コンパクトなパッケージングと表面実装コンポーネントの利用可能性のおかげで、今日使用されている最も一般的なタイプのキャパシタの一つです。彼らがその名前を得たのは構造材料からであり、金属ペーストとセラミック粉末の交互の層で構築され、セラミック材料を固めるために焼かれます。非極性コンポーネントであるため、ACおよびDC回路で使用でき、結合、デカップリング、およびフィルタリング回路での使用に理想的な一連の容量値を備えています。

コンデンサの最大電圧定格は名目上高く、これは大きな利点です。定格電圧をわずかに超えると、その容量は大きな故障なしに低下します。定格最大電圧を大幅に超える電圧にさらされると、セラミック材料が分解し、金属板間に短絡が生じる傾向があります。過電流保護が施されていると仮定すると、この故障モードは比較的軽微です。しかし、設計者はこの故障が運用中に発生しないように、適切なセラミックコンデンサの電圧ディレーティングを選択する必要があります。これにより、新しい設計の寿命が維持されます。

セラミックコンデンサの電圧ディレーティングの重要性

考慮すべき重要な点は、セラミックコンデンサの静電容量値が、コンポーネントにかかる電圧がセラミックコンデンサの最大電圧定格に近づくにつれて減少するということです。一部のコンポーネントでは、この減少が回路の動作に大きな影響を与えることがあります。この効果は、コンポーネントの物理的サイズに強く影響されます。同じ定格値の1206 SMDセラミックコンデンサは、0603 SMDセラミックコンデンサよりも定格容量を遅く失います。この効果は、高い誘電率を持つコンポーネント、たとえばクラスII型誘電体特性（例えば、B/X5RやR/X7R）を持つデバイスでより顕著です。この効果は、信号処理回路内のセラミックコンデンサに直流バイアス電圧が存在する場合に問題となることがあります。

バイアス電圧は、基本回路の動作特性に影響を与える全体の容量を大幅に減少させることができます。バイアス電圧の上に重ねられた信号電圧は、その極性に応じてこの変化を悪化させたり軽減させたりすることがあり、信号電圧に比例して容量の変化を引き起こします。統合された効果は、容量の変化による非線形の性能です。この問題は、ピーク信号電圧とDCバイアス電圧から計算されたコンデンサの最大電圧が、容量の変化が最小限に抑えられるコンポーネントの容量特性の領域内に留まるようにすることで解決できます。これには、設計者の要件を満たす誘電体特性を持つコンポーネントの慎重な選択が必要になる場合があります。

セラミックコンデンサのディレーティングに影響を与える別の要因は、定格電圧限界内での急激な過渡現象への露出です。電圧が限界内に留まる間、電圧の変化率は時間とともにセラミック材料を劣化させ、コンポーネントの寿命を短くし、故障の確率を高めることがあります。

どのセラミックコンデンサのディレーティングを使用すべきですか？

セラミックコンデンサの電圧定格ルールには、少なくとも25%の定格ダウンが標準とされる一般的な経験則がありますが、電圧リップル効果にさらされる環境では、これを少なくとも50%に増やすべきです。コンポーネントに通常運用で適用可能な最大電圧の少なくとも2倍が、コンポーネントの最大定格電圧であるべきです。

より正確な計算は、ブレークダウン電圧と最大定格電圧との関係を見ることから得られます。通常、メーカーはブレークダウン電圧に経験と判断に基づくマージンを加えて最大定格電圧を計算します。ブレークダウン電圧は、セラミックコンデンサの構造に使用される材料の特性と、材料に存在する欠陥によって決定されます。製造プロセスの品質が高ければ高いほど、ブレークダウン電圧は高くなりますが、これは使用される材料によって限定されます。興味深いことに、容量の値が高いほど、製造上の欠陥がブレークダウン電圧に与える影響は小さくなります。

セラミックベースの絶縁材料の特性が計算を支配しており、研究によると金属要素は結果にほとんど影響を与えないことが示されています。絶縁体内の分極プロセスによって一般に決定されるため、電気的な破壊よりもブレークダウン電圧が一般的に決定されます。メーカーは、コンポーネントの動作特性内の領域を特定することによってブレークダウン電圧を決定します。電圧依存性の特性は、デバイスの必要な限界内に留まり、その予測される信頼性は指定された範囲内に落ちます。設計者によって適用されるデレーティングは、ブレークダウン電圧から最大セラミックキャパシタ電圧定格を計算するために使用されるメーカーのデレーティング係数に加えて行われます。

念頭に置くべき一つのことは、コンポーネントを過剰にデレーティングすることが一見最も安全な方針のように見えるかもしれませんが、これは物理的に大きなまたははるかに高価なコンポーネントの選択につながるでしょう。必要な追加のボードスペースは実現不可能であるか、またはボードのレイアウトやルーティングに他の課題を引き起こす可能性があります。大きなコンポーネントは、機械的振動が存在する環境でコンポーネント内の破損のリスクも高めます。すべての設計決定と同様に、慎重に考える必要があるいくつかの結果があります。

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