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Sep 24, 2023

ステップの静電容量値の選択

前回の記事では、セラミック、アルミニウム電解、タンタル コンデンサの主な特性について説明しました。 次に、出力コンデンサの等価直列抵抗 (ESR) の役割を調査しました。

前回の記事では、セラミック、アルミニウム電解、タンタル コンデンサの主な特性について説明しました。 次に、スイッチモードレギュレータの設計における出力コンデンサの等価直列抵抗 (ESR) の役割を調査しました。 次に、容量値の選択に伴うトレードオフを検討し、必要な出力リップルに基づいた設計例を見ていきます。 すべての LTspice シミュレーションでは図 1 の回路図が使用されますが、C1 の値は変わります。

より高い静電容量値とより低い静電容量値には、それぞれ長所と短所があります。目的のアプリケーションに対してどの値が最適なバランスをとるかを決定する必要があります。 そのために、両方の利点を簡単に見てみましょう。

前の記事でも触れましたが、コンデンサの種類は容量値に影響します。 ある意味、容量値はコンデンサのタイプを決定するのにも役立ちます。たとえば、高い出力容量を選択すると、セラミック コンデンサの使用はほぼ除外されます。 セラミック コンデンサは ESR が低く、一般に SMPS 回路に適しているため、このテクノロジを活用するには、より低い静電容量値を選択する価値があるかもしれません。

セラミック コンデンサ パッケージが小さいほどインダクタンスが低く、その結果、高周波での効果が高くなります。 さらに、より低い出力静電容量の要件は、通常、より安価でかさばらないコンデンサを必要とします。

最後に、出力容量を低く保つことで、起動時にレギュレータが過電流保護モードに入るほど多くの電流を消費する可能性がある過剰な出力容量の問題を回避できます。

電解コンデンサの場合、静電容量が大きくなるとESRが小さくなる傾向があります。 また (コンデンサのタイプに関係なく)、出力リップルの大きさは出力容量に反比例します。つまり、COUT が大きいほど、ΔVOUT が小さくなります。

出力リップルは重要な考慮事項であることに留意してください。 出力電圧のリップルは、リニアレギュレータと比較したスイッチモード電源の根本的な弱点の 1 つです。 一部のアプリケーションでは、出力リップルを最小限に抑えることが重要な設計目標となります。

最大出力リップルの仕様を念頭に置いている場合は、それを容量値を選択するための基準として使用できます。 式は次のとおりです。

$$C_{OUT}=\frac{\Delta I_L}{8\times f_S\times\Delta V_{OUT}}$$

この公式を使用して COUT の初期値を選択しており、インダクタ電流リップル (ΔIL) のシミュレーション値がまだないことを想像してみましょう。 この場合、インダクタンス値の選択に関する記事で最初に説明した 30% ルールを使用できます。つまり、予想される出力電流の 30%、つまり ΔIL = 0.30 × であるピークツーピークのインダクタ電流リップルを目指します。 70mA = 21mA。

すでに 1.5 MHz のスイッチング周波数 (fS) を選択しています。 ここで必要なのは、ΔVOUT の仕様を選択することだけです。

上の式は、リップルが消えるまで出力容量を追加し続けることができることを暗示していますが、実際には実際的な制限があります。 一例として、Analog Devices の LTM4702 は、低ノイズ スイッチング レギュレータの「Silent Switcher」ラインの一部です。 このコンポーネントを設計した人々は、スイッチャの性能の最適化について私よりはるかに詳しいのですが、それでも、LTM4702の標準出力リップルは8mVです（これは200μFの出力容量での値です）。

幸いなことに、特定のアプリケーションで実際にリップルをどの程度低くする必要があるかを知ることは困難ですが、私の経験では、低電圧回路は、たとえアナログ回路であっても、電源ライン上のノイズに対して非常に耐性があります（すべての IC がすでにノイズに対して耐性があることを忘れないでください）独自のバイパスコンデンサ）。

ΔVOUT = 20 mV は達成可能な目標だと思うので、それを出発点として使用します。 ΔVOUT = 20 mV で数値を実行すると、次の結果が得られます。

$$C_{OUT}=\frac{.021\ A}{8\times 1500000\ Hz\times .020\ V}=87.5\ nF$$

ここで、LTspice の回路図に戻り、C1 の値を 87.5 nF に変更してみましょう。 図 2 に VOUT のプロットを示します。

カーソル ボックスでわかるように、VOUT のピークツーピークの変動は理論値の 20 mV に非常に近いです。