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» 2010年12月09日 00時00分 UPDATE

コンデンサ

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コンデンサ

 コンデンサとは、電荷を蓄えたり、放出したりする受動部品のこと。キャパシタと呼ばれることもある。コンデンサの電荷を蓄える能力が静電容量であり、その単位はF(ファラッド)である。

 電気回路においてコンデンサは、電荷(エネルギー)を蓄える用途に使われる。このほか、直流(DC)成分を通さないことを利用したDCブロッキング(阻止)用途や、低周波領域に比べて高周波領域にインピーダンスが低いことを利用して信号の高周波成分だけをグラウンド層に迂回させるバイパス用途なども代表的な使われ方である。バイパス用途で使われるコンデンサは、デカップリング・コンデンサと呼ばれることもある。

電源回路では数多く使われる

図1 図1 電源回路で使用する3つのコンデンサ
National Semiconductor社が販売している降圧型DC-DCコンバータ・モジュール「LMZ10505」のアプリケーション例である。入力コンデンサ(Cin)と、出力コンデンサ(Co)、位相補償用コンデンサ(Ccomp)を用意する必要がある。

 コンデンサは、電源回路で数多く使われている。使われているコンデンサの用途は大きく分けて3つある(図1)。1つは入力コンデンサである。役割は、エネルギーの蓄積と、後ろに続く回路の入力サージ電圧からの保護である。2つめは出力コンデンサである。役割は、出力電圧の平滑(フィルタリング)である。出力電圧に重畳されたリップル成分を取り除く。3つめは、位相補償回路用のコンデンサである。

 今回は、こうした3つのコンデンサの中から、出力コンデンサに焦点を絞って解説しよう。出力コンデンサを選択する場合にまず考慮しなければならないのが、印加可能な端子電圧(耐圧)と静電容量という2つの特性である。

 耐圧については、出力電圧を十分に上回る品種を採用する必要がある。耐圧が低いとコンデンサに過度な電圧が掛かってしまい壊れてしまうからだ。通常、使用する電源回路が出力する直流電圧の3倍程度の耐圧を備える品種を使う。

 静電容量については、出力コンデンサとともに使う出力インダクタと構成する平滑(フィルタ)回路のカットオフ(遮断)周波数を考慮する必要がある。リップル電圧などの不要な高周波成分を十分に取り除ける値にカットオフ周波数を設定しなければならない。

ESRは大きすぎても小さすぎても問題

 このほか、電源用のインダクタで注意したい電気的な特性は2つある。

 出力コンデンサは、カットオフ周波数を考慮する必要があるため、比較的大きな静電容量の素子を使うのが一般的だ。従って、アルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサなどを利用することが多い。

 しかし、積層セラミック・コンデンサ(MLCC)の大容量化が進んだ結果、出力コンデンサに採用することが可能になっている。この際に注意すべき点がある。それは、等価直列抵抗(ESR:Equivalent Series resistance)である。一般に、出力コンデンサのESRは小さい方が良い。その方が出力電圧に現れるリップル成分を小さく抑えられるからだ。しかし、積層セラミック・コンデンサのESRは小さすぎて、フィードバック・ループの位相遅れが発生しやすくなる。このため、負荷応答特性が悪化したり、異常発振を起こしたりする危険性が高くなる。従って、リニア・レギュレータやスイッチング・レギュレータなどの電源ICの出力コンデンサに積層セラミック品を使う場合は注意が必要だ。

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 ただし、最近製品化されている電源ICは、フィードバック・ループに工夫を施すことで、積層セラミック品の適用を可能にしているものが多い。例えば、米National Semiconductor社の製品では、リニア・レギュレータIC「LP3869x-adjファミリ」などがそれに相当する。さらに、コンデンサ・メーカー側も対策を打ち始めており、ESRを若干高めに設定したESR制御(コントロールドESR)品の製品化が数年前から始まっている。


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