積層セラミックチップコンデンサ

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電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイド

電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイド 概要

電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイド概要
 電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイドまとめ

なぜ、いま、電解コンデンサをMLCCへ置き換えるのか

MLCCの大容量化により電解コンデンサからの置き換えを実現

図1:各種コンデンサの使用周波数帯と静電容量範囲

図1:各種コンデンサの使用周波数帯と静電容量範囲

電子機器の主役であるLSIやICの高集積化とともに、それらに供給される電源の低電圧化が進んでいます。また、多機能化にともなって消費電力も増大し、大電流化も進んでいます。こうした低電圧・大電流化に対応するため、電子機器の電源では中間バスコンバータから複数の小型DC-DCコンバータ(POLコンバータ)をLSIやICなどの負荷の直近に配置する分散電源システムが採用されるようになりました。

POLコンバータには複数のコンデンサが外付けされます。とりわけ平滑用の出力コンデンサには大きな静電容量が求められるため、従来はアルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサが使われてきました。
しかし、これらの電解コンデンサは小型化が困難で、回路の省スペース化の妨げとなります。また、リップル電流による自己発熱が大きいなどの問題を抱えています。

電子機器に多用されているMLCCは、すぐれた特性をもつコンデンサですが、静電容量が比較的小さく、主にフィルタ回路や高周波回路などに用いられてきました、しかし、近年、MLCCの誘電体の薄層化・多層化技術などの進展により、数10~100μF以上の大容量MLCCが製品化されるようになり、電解コンデンサからの置き換えが可能になりました。

各種コンデンサの使用上の注意点

MLCC、アルミ電解コンデンサ、タンタル電解コンデンサの主な特長と注意を以下に示します。MLCCへの置き換えにあたっては、これらのコンデンサの長所と短所とともに、使用にあたっての注意点を知っておく必要があります。
大容量のMLCCは電解コンデンサからの置き換えが可能ですが、温度やDCバイアスによる静電容量変化率が大きいという短所があることに注意が必要です。また、ESRが低すぎることが逆効果となり、電源回路では異常発振を起こすこともあります。
≫ 質問ノート:DC-DCコンバータの出力コンデンサとしてMLCCを使うと、異常発振が起きることがあるのはなぜですか?
≫ 質問ノート:異常発振を防ぐための位相補償とは、どういうものでしょう?

MLCCMLCC タンタル電解コンデンサタンタル
電解コンデンサ
アルミ電解コンデンサアルミ
電解コンデンサ
主な特長
  • 小型・低背
  • 高信頼性・長寿命
  • 低ESR(等価直列抵抗)
  • 極性がない
  • 大容量
  • DCバイアス特性にすぐれる
  • 大容量
  • 安価
使用上の注意点
  • DCバイアス(直流電圧印加)や温度による静電容量変化が大きい
  • ESRが低い長所が、逆に電源回路では異常発振などの原因となることがある
  • ESRが比較的高く、リップル電流による自己発熱が大きい
  • 定格電圧が低い
  • 形状が大きい
  • 高温環境下での寿命が短い
  • ESRが高く、リップル電流による自己発熱が大きい
大容量だが自己発熱が大きく寿命が短くなりやすい電解コンデンサ

図2:リップル電流によるコンデンサの自己発熱の比較例(周波数:100kHz)

図2:リップル電流によるコンデンサの自己発熱の比較例(周波数:100kHz)

コンデンサのESRは周波数によって変化します。
ある周波数におけるコンデンサのESRをR、リップル電流をIとすると、RI2の電力が熱損失となり、コンデンサは自己発熱します。

電解コンデンサは大容量が特長ですが、ESRが高いためにリップル電流による発熱が大きいのが短所です。

コンデンサが許容できるリップル電流の上限値を許容リップル電流といいます。許容リップル電流を超えて使用するとコンデンサの寿命が短くなります。

ノート:ESRとリップル電流

図3:ESR(等価直列抵抗)

図3:ESR(等価直列抵抗)

理想的なコンデンサは静電容量のみをもつ素子ですが、現実には電極などによる抵抗成分やインダクタ成分をもちます。回路図には表れないこの抵抗成分をESR(等価直列抵抗)、インダクタ成分をESL(等価直列インダクタンス)といいます。

図4:リップル電流

図4:リップル電流

直流電流は一定電圧で一方向に流れる電流です。しかし、電源回路の直流電流には、ノイズ電流をはじめ、さまざまな交流成分が重畳します。
たとえば、商用交流を整流(全波整流)して得られる直流電流には、商用交流の2倍の周期のさざ波(リップル)状の脈動電流が含まれます。また、スイッチング方式のDC-DCコンバータでは、直流電圧にスイッチング周期の脈動電流が重畳します。これらはリップル電流と呼ばれます。

アルミ電解コンデンサは10年の寿命

アルミ電解コンデンサは静電容量が大きく、また安価なため、電子機器に多用されていますが、寿命があるので使用にあたっては十分な注意が必要です。アルミ電解コンデンサの寿命は、一般に10年程度といわれています。これは電解液のドライアップ(蒸発)により、静電容量が低下することによるものです(容量抜け)。

電解液の消失量は温度と関係し、「アレニウスの法則」と呼ばれる化学反応速度論にほぼ従うことが知られています。これは使用温度が10℃上がれば寿命は2分の1になり、 10℃下がれば寿命は2倍になるという法則で、10℃ 2倍則とも呼ばれます。このため、リップル電流による自己発熱が大きい条件での使用は、アルミ電解コンデンサの寿命をさらに縮めることになります。

また、電解液のドライアップはESRも上昇させます。直流電圧にリップル電圧が重畳される場合は、リップル電圧のピーク値が、定格電圧(耐圧)を超えないように注意が必要です。電源回路などでは、定格電圧が入力電圧の3倍程度のコンデンサが使われます。
MLCCはESRが低く、定格電圧も高いので、きわめて信頼性にすぐれているのが特長です。

図5:各種コンデンサの定格電圧範囲

図5:各種コンデンサの定格電圧範囲

図6:寿命の比較

図6:寿命の比較

MLCCへの置き換え事例 降圧型DC-DCコンバータ

降圧型DC-DCコンバータにおける出力コンデンサの置き換え

ESRとリップル電流によるコンデンサの発熱は、電源回路の出力コンデンサにおいて顕著な問題となります。
図7はPOLコンバータなどとして電子機器に多用される降圧型の小型DC-DCコンバータの基本回路です。

DC-DCコンバータにおいて、自己発熱問題や省スペース化、信頼性向上のソリューションとして、電解コンデンサからMLCCへの置き換え対象になっているのは、主にこの出力コンデンサです。

図7:POLコンバータ(降圧型DC-DCコンバータ)の基本回路

図7:POLコンバータ(降圧型DC-DCコンバータ)の基本回路
ノート:POLコンバータ(降圧型DC-DCコンバータ)の基本回路

図8はPOLコンバータなどとして電子機器に多用される降圧型の小型DC-DCコンバータの基本回路です。
コンバータとしての主要回路はIC化されていて、これにコンデンサやインダクタがプリント基板上で外付けされます(内蔵された製品もあります)。
ICの前段にあるコンデンサを入力コンデンサ(Cin)、後段にあるコンデンサを出力コンデンサ(Cout)といいます。DC-DCコンバータの出力コンデンサは、電荷を蓄えて出力電圧を平滑化するとともに、交流であるリップル成分をグランド側に逃がして除去する役割を担います。

降圧型DC-DCコンバータにおける出力コンデンサの特性比較

次のような評価基板を用いて、降圧型DC-DCコンバータの出力コンデンサの出力電圧を比較してみました。
比較したコンデンサは、静電容量22μFの一般アルミ電解コンデンサ、タンタル電解コンデンサ、機能性高分子アルミ電解コンデンサ、およびMLCCです。

図8:各種電解コンデンサとMLCCの出力電圧比較検証 (22μF品)

図8:各種電解コンデンサとMLCCの出力電圧比較検証 (22μF品)
MLCCは低ESRのため、リップル電圧が小さく、自己発熱が少ない

前述の条件のもと、静電容量22μFの一般アルミ電解コンデンサ、タンタル電解コンデンサ、機能性高分子アルミ電解コンデンサ、MLCCそれぞれについて、出力電流と出力電圧を比較しました。
ESRは、一般アルミ電解コンデンサ>タンタル電解コンデンサ>機能性高分子アルミ電解コンデンサ>MLCCの順に大きく、自己発熱を起こすリップル電圧も、この順に大きくなっています。
機能性高分子アルミ電解コンデンサは、導電性ポリマーを電解質として低ESR化を図ったタイプで、一般アルミ電解コンデンサと比べて、リップル電圧は格段に小さくなっていますが、形状はやや大型で価格も高価です。

図9:各種電解コンデンサとMLCC(X5R)の出力挙動試験結果(22μF品)

図9:各種電解コンデンサとMLCC(X5R)の出力挙動試験結果(22μF品)

それぞれのコンデンサのインピーダンス-周波数特性、ESR-周波数特性を以下に示します。

図10:各種コンデンサのインピーダンス-周波数特性、ESR周波数特性

図10:各種コンデンサのインピーダンス-周波数特性、ESR周波数特性

ESRが低いコンデンサほど、リップル電圧を小さく抑制することができます。下のグラフからわかるように、MLCCのESRは数mmΩ程度で、きわめて小さいのが特長です。このため、電解コンデンサからの置き換えとして、MLCCは最適パフォーマンスを発揮します。

図11:ESRとリップル電圧の関係(スイッチング周波数340kHz)

図11:ESRとリップル電圧の関係(スイッチング周波数340kHz)
DC-DCコンバータにおける電解コンデンサからMLCCのへ置き換えメリット

DC-DCコンバータの出力コンデンサとして、電解コンデンサからMLCCへの置き換えは、リップル抑制のほかにも、小型・低背形状による回路基板の省スペース、長寿命化や信頼性向上など、さまざまなメリットをもたらします。

リップル抑制、高信頼性、長寿命化

ESRが高い電解コンデンサはリップル電流によって自己発熱を起こして寿命を縮めます。
MLCCはESRが電解コンデンサより2桁ほど低く、長寿命で信頼性も向上します。

図12:リップル抑制

図12:リップル抑制

小型化

小型・低背のMLCCへの置き換えで回路基板の省スペース化を実現できます。

図13:アルミ電解コンデンサからMLCCへの置き換えイメージ

図13:アルミ電解コンデンサからMLCCへの置き換えイメージ
質問ノート:電解コンデンサの容量を増加することで、リップル電圧を抑制することはできますか?

電解コンデンサは、静電容量が大きくなればESRは多少低下します。しかし、容量増加でリップル抑制することは基本的に困難です。それは、容量増加とともに、時定数がアップしてしまうからです。
コンデンサの充放電過程などのような過渡現象の応答速度は、時定数(τ)と呼ばれる指標で表されます。抵抗(R)とコンデンサ(C)からなるRC 回路においては、時定数はτ=RCとなります(Rの単位はオーム[Ω]、Cは静電容量で単位はファラド[F])。時定数が小さいほど、コンデンサの充放電にかかる時間が短く、時定数が大きいほど長くなります。

過剰に大きな容量の電解コンデンサを用いると、時定数もきわめて大きくなるので、短時間のスイッチングが繰り返されるDC-DCコンバータにおいて、スイッチOFFの時間内に放電が終了せず、電解コンデンサに電荷が残ってします。結果として、十分に電圧が低下せず、電圧波形に歪みが発生して出力が不安定になってしまい、良好なリップル抑制が得られません(図14)。

図14:大容量のアルミ電解コンデンサでは波形に歪みが発生

図14:大容量のアルミ電解コンデンサでは波形に歪みが発生

かたやMLCCでは、広い周波数帯域においてESRが低いため、このような問題はなく、電解コンデンサからの置き換えにより、良好なリップル抑制を実現します。

図15:電解コンデンサとMLCCのインピーダンスとESR

図15:電解コンデンサとMLCCのインピーダンスとESR
質問ノート:DC-DCコンバータの出力コンデンサとしてMLCCを使うと、異常発振が起きることがあるのはなぜですか?

MLCCは低ESRを特長としますが、アルミ電解コンデンサなどと比べて、あまりに低いために、逆にDC-DCコンバータの出力電圧が不安定になったり、発振を起こすことがあります。
DC-DCコンバータは、右の図のように、出力電圧を基準電圧と比較し、その誤差分をエラーアンプ(誤差増幅器)で増幅して負帰還させ、一定の安定した直流電圧を得ています。ところが、平滑回路のインダクタ(L)とコンデンサ(C)によって、信号の位相遅れが生じます。位相遅れが180°に近づくと、正帰還のような状態になり、不安定になったり発振してしまうのです。

図16:DC-DCコンバータの負帰還回路

図16:DC-DCコンバータの負帰還回路
質問ノート:異常発振を防ぐための位相補償とは、どういうものでしょう?

負帰還が安定して動作するかどうか判定するグラフとしてボード線図があります。これは横軸を周波数、縦軸を利得(ゲイン)と位相とするグラフです。
インダクタ(L)とコンデンサ(C)による位相遅れが180°に近づくほど正帰還となって出力は不安定になってしまいますが、位相遅れが180°のときでも利得を1以下(0dB以下)にすることで信号は収束して発振を防ぐことができます。
そこで、位相の遅れを減少させるために、エラーアンプの周辺にコンデンサや抵抗を接続し、位相遅れをキャンセルすることで調整します。これを位相補償といいます。出力コンデンサに、ESRが高いアルミ電解コンデンサを使った従来の設計では問題がなかったのですが、ESRの低いMLCCでは補償不足となるため、異常発振を起こすことがあり、置き換えにあたっては注意が必要です。

図17:ボード線図(利得・位相-周波数特性)

図17:ボード線図(利得・位相-周波数特性)

MLCCへの置き換え事例 デカップリングコンデンサ(パスコン)

デカップリングコンデンサ(パスコン)の置き換え

従来、アナログ回路などでは、デカップリング用として電解コンデンサとMLCCが並列接続されていましたが、大容量MLCCが製品化されたことで、電解コンデンサからMLCCへの置き換えが進んでいます。

とくにアルミ電解コンデンサはESRが大きいために、インピーダンスを小さくするには大きな容量が必要となりますが、MLCCは低ESRを特長とするため、アルミ電解コンデンサほどの容量は必要としません。また、MLCCは小型・低背で回路基板の省スペースを実現し、長寿命で信頼性にすぐれるなどの置き換えメリットがあります。

図19:POLコンバータ(降圧型DC-DCコンバータ)の基本回路

図19:POLコンバータ(降圧型DC-DCコンバータ)の基本回路
ノート:デカップリングコンデンサ

ICの電源ラインには回路図には表れないインピーダンスがあるため、電源電圧を変動させて回路を誤作動させたり、回路間で干渉を起こしたりします。

そこでコンデンサを並列接続して、その充放電により電圧変動を抑制するとともに、交流を通過させるコンデンサの性質を利用してノイズをグランド側にバイパスさせます。これをデカップリングコンデンサといいます(パスコン:バイパスコンデンサとも呼ばれます)。

図20:デカップリングコンデンサの役割

図20:デカップリングコンデンサの役割

デカップリング用途では、低周波から高周波までの広い周波数帯域にわたって低いインピーダンスを示すコンデンサが理想的ですが、現実のコンデンサのインピーダンス-周波数特性はV字型のカーブを描きます。

V字の谷底にあたる周波数を自己共振周波数(SRF)といい、コンデンサとしての機能するのは自己共振周波数以下の領域です。このため、デカップリング用途では、一般に特性の異なるコンデンサを並列接続して、広い周波数帯域をカバーします。

図21:デカップリングコンデンサの役割

図21:デカップリングコンデンサの役割
DC-DCコンバータにおける電解コンデンサからMLCCのへ置き換えメリット
質問ノート:デカップリングコンデンサとしてMLCCを用いると起きることがある反共振とは、どのような現象でしょう?

MLCCはESRが低いのが特長ですが、デカップリング用途でも、これが弊害となってしまうことがあります。たとえば、大電流・低電圧で駆動するICのデカップリング用として、複数のMLCCが並列接続されます。コンデンサがコンデンサとして機能するのはSRF(自己共振周波数)以下の周波数帯で、SRF以上ではインダクタとして機能します。

このため、2つのMLCCのSRF(自己共振周波数)が近接していると、インダクタとコンデンサによるLC並列共振回路を形成して発振しやすくなります。これが反共振という現象です。
反共振は強烈なインピーダンスピークを生み、その周波数においてノイズ除去効果が弱くなり、電源電圧が不安定になるため、回路の誤動作などの原因になったりします。

図22:デカップリング用MLCCの並列接続と反共振問題

図22:デカップリング用MLCCの並列接続と反共振問題

電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイド

電解コンデンサからMLCCへの置き換えにあたって、お客様の用途に合った最適MLCCの選び方をご説明いたします。お客様の製品の信頼性向上にお役立てください。

特性から選定するときの注意点

高誘電率系は電圧印加による容量変化にご注意ください

すぐれたコンデンサであるMLCCにも弱点があります。MLCCは印加される電圧によって静電容量が変化してしまうのです。印加されるのが直流電圧の場合、これをDCバイアス特性(直流電圧特性)といいます。静電容量の変化(DCバイアス依存)は低誘電率系(種類1)ではほとんどみられませんが、高誘電率系(種類2) のMLCCにおいて表れます。

これは、高誘電率系が自発分極している強誘電体(BaTiO3など)を使用していることに起因します。したがって、直流電圧を印加して使用する場合は、誘電体の特性や使用電圧・耐圧を考慮に入れて選択してください。また、小型サイズのコンデンサほど、静電容量の減少が大きくなる傾向があります。このため、容量選定にあたっても、DCバイアス特性を考慮に入れる必要があります。

図23:静電容量変化率-DCバイアス特性例(高誘電率系)

図23:静電容量変化率-DCバイアス特性例(高誘電率系)

図24:DCバイアス特性による影響(3.3V印加時の実効静電容量比較)

図24:DCバイアス特性による影響(3.3V印加時の実効静電容量比較)
電解コンデンサから置き換える最適MLCCのラインナップ

現在使用中のコンデンサの情報をクリックで入力するとMLCC製品の推奨品がわかります。
※製品の適合を保証するものではありませんのでご了承の程、お願い致します。
※製品の適合性をお客様において十分テストの上、ご判断ください。

電解コンデンサから置き換える最適MLCCの選定法(PDF)

TDKでは、アルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサからの置き換えを実現するMLCCを豊富にラインナップしています。お客様の用途に合ったMLCCをお選びいただき、お客様の製品の信頼性向上にお役立てください。

電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイド まとめ

  • 近年、数10~100μF以上の大容量MLCCが製品化されたことで、タンタル電解コンデンサやアルミ電解コンデンサからの置き換えも可能になりました。
  • MLCCは高い定格電圧、すぐれたリップル抑制、長寿命・高信頼性という特長により、民生機器から産業機器にいたるまでの広範な分野で、置き換えが進んでいます。

※高誘電率系のMLCCは温度や直流電圧の印加によって、静電容量が低下するという弱点があります (温度特性、DCバイアス特性)。また、ESRがきわめて低いという特長が、逆に異常発振や反共振といった問題を起こすことがあり、置き換えにあたっては注意が必要です。

※お客様の用途に合ったMLCCをお選びいただき、お客様の製品の信頼性向上にお役立てください。

製品サポート

技術支援ツール

TDKでは以下のような設計支援ツールをホームページ上で無償で提供しています。回路設計やEMC対策などにお役立てください。

■ 回路シミュレータ用電子部品モデル TVCL

TDKの電子部品の特性を回路シミュレータ上で再現するためのシミュレーションモデルです。Sパラメータ、等価回路モデル、SPICEモデル、各種シミュレータ用ライブラリをご提供しています。周波数特性とDCバイアス特性を考慮したDCバイアスモデルは、電源回路設計にお薦めです。

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