電源回路の基礎知識(3)～スイッチング・レギュレータの設計手順～

出力コンデンサの選定

出力コンデンサの選定で注意すべき点は容量特性とESR(等価直列抵抗)です。

たとえば、スイッチング電源によく使われるMLCC(積層セラミックコンデンサ)は、温度やDCバイアスによって容量が低下することが知られています(図2)。

このうち温度特性は一般にEIA規格のコードで示されています。「X5R」品は高温になっても容量低下はわずかですが、「Y5V」品は大幅に低下してしまうため注意が必要です。出力コンデンサの周囲温度が動作中にどの程度まで上昇するかを事前に検討し、適切なコンデンサを選択する必要があります。
また、高誘電率系のMLCCは、直流電圧を印加したときに容量が大きく低下する傾向があるため、公称容量だけを見て容量値を選択してしまうと、実使用条件では期待どおりの特性が得られなくなる可能性があります。

これらの課題については技術情報の 「MLCCの課題を導電性高分子コンデンサで解決」 も合わせて参照してください。

コンデンサは静電容量(C)のみであることが理想ですが、実際のコンデンサにはC成分の他に等価直列抵抗(ESR)、等価直列インダクタンス(ESL)、絶縁抵抗(IR)も含まれます(図3)。

このうち抵抗成分であるESRは電圧降下の原因となり、さらに負荷電流が変動するとそれに応じて電圧降下も変動し、負荷に届く電圧が低下します。また、ESRが高いとスイッチングによって生じるリプル電流の吸収効果が低減したり、ESRとリプル電流による発熱によってコンデンサの寿命が短くなったりします。そのため、ESRが高いコンデンサは使用条件が大きく制限されるため注意が必要です。
一般にタンタルコンデンサやアルミ電解コンデンサはESRが高く、MLCCや導電性高分子コンデンサはESRが低いコンデンサです。
コンデンサのESRについては、技術情報の 「コンデンサの基礎知識(1) ～仕組み・使い方・特性～ 」 や 「スイッチング電源のMLCC入力/出力コンデンサのハイブリッドコンデンサへの置き換え事例」 も参照してください。

1. 容量特性
2. ESR(等価直列抵抗)

出力インダクタの選定

出力インダクタの選定では、ベンダーが示している公称インダクタンスに注意します。公称インダクタンスはある周波数で測定したときの値であり、また一般に±30％程度の誤差を含みます。スイッチング電源の出力インダクタとして使う場合は、スイッチング周波数において所望のインダクタンスが得られることを、データシートの特性グラフなどで確認する必要があります。
また、インダクタは直流電流が重畳するとインダクタンスが減少します。インダクタンスが初期値から－30％低下する電流は「電流定格：直流重畳」といった仕様項目で示されています(表2)。詳しくは技術情報の 「 インダクタ(コイル)の基礎知識(2) ～特性・種類～ 」 を参照してください。
インダクタンスの特性はコンデンサや抵抗の特性に比べると直感的に理解しづらいところもありますので、ベンダーの技術情報を参照したり問い合わせを行うなどして、設計しようとする電源にとって適切なインダクタを選択されることをお勧めします。