ソリューションガイド：電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイドの改定

MLCCへの置換：降圧型DC-DCコンバータの出力コンデンサ

近年、ICの高集積化に伴い、電源の低電圧化が進んでいます。さらに、ICの多機能化により消費電力が増加し、大電流化も進んでいます。これら低電圧、大電流化に対応するため、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ICなどの負荷の近傍に配置する、分散電源システムが広く採用されています。
DC-DCコンバータには複数のコンデンサが使用されます。特に平滑用の出力コンデンサには大容量が必要であり、アルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサが使用されています。しかし、電解コンデンサは比較的サイズが大きいためスペース削減が困難であり、さらにリップル電流による自己発熱量が大きいなどのデメリットもあります。
このようなデメリットに対して、各種電解コンデンサよりも小型/低背、低ESRであるMLCCへの置換は有効なソリューションに成り得ます。
図1は電子機器に多く使用されている降圧型DC-DCコンバータの基本回路を示したものです。電解コンデンサからMLCCへ置換が進んでいるのは青で示した出力コンデンサです。

各種コンデンサの主な特徴

代表的なコンデンサである、MLCC、タンタル電解コンデンサ、アルミ電解コンデンサの主な特徴を示します。

	MLCC	タンタル電解コンデンサ	アルミ電解コンデンサ
メリット	・小型/低背 ・低ESRによるリップル電圧、自己発熱量の低減 ・無極性	・大容量 ・良好なDCバイアス特性	・大容量 ・良好なDCバイアス特性 ・安価
注意点	・メリットである低ESRにより、異常発振や反共振を起こすこともある ・高誘電率系の製品は、DCバイアス(直流電圧印加)により静電容量が変化する	・ESRが比較的高い ・リップル電圧、自己発熱量が比較的大きい	・サイズが大きい ・ESRが高い ・リップル電圧、自己発熱量が大きい ・高温による製品寿命への影響が大きい

MLCCは小型/低背化によるスペース削減や低ESRによるリップル電圧の低減、さらに自己発熱量の低減による信頼性の向上など様々なメリットがあります。
一方、MLCCのメリットである低ESRにより異常発振や反共振を起こすこともあります。また、高誘電率系(種類2)のMLCCは、直流電圧が印加されると静電容量が変化する特性があるので注意が必要です。

MLCCへの置換によるメリット

メリット1：小型/低背によるスペース削減

アルミ電解コンデンサより小型/低背であるMLCCへ置換することで、回路基板の省スペース化が可能です。

メリット2：自己発熱量の低減

初めに、47μFのMLCC、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のインピーダンス、ESR周波数特性を示します。
MLCCはインピーダンスとESRのいずれも低い特性値を示しています。

なお、コンデンサの自己発熱量:P は、コンデンサのESRとリップル電流:I により下記式で表されます。

自己発熱量:P = ESR x 電流:I²　　(式1)

自己発熱量:P はESRに比例するため、低ESRであるMLCCの自己発熱量は小さくなり、MLCCよりも高ESRである各種電解コンデンサの自己発熱量はMLCCよりも大きくなることが解ります。
また、コンデンサの製品寿命は温度の影響を受けます。一般的に使用温度が10℃高くなると製品寿命が2分の1になる 「10℃ 2倍則」 が知られており、リップル電流による自己発熱量が大きくなると製品寿命を縮めることになります。なお、一般的なアルミ電解コンデンサの製品寿命は約10年とされています。

メリット3：リップル電圧の低減

・降圧型DC-DCコンバータの出力電圧を検証
下記評価系にて降圧型DC-DCコンバータの出力電圧を測定しました。
出力コンデンサは47μFのMLCC、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を使用しました。

各種コンデンサによる出力電圧波形と一般的なスイッチング周波数:300kHzでのESRを示します。
リップル電圧とESRのいずれもMLCCが最も低い値を示しています。

リップル電圧とESRの関係は下記式で表されます。リップル電圧の低減にはESRの低減が有効であり、低ESRであるMLCCが有利であることが解ります。

アルミ電解コンデンサの静電容量増加によるリップル電圧の低減は効果的か？

アルミ電解コンデンサの静電容量とリップル電圧の関係について評価しました。
初めに、MLCC 47μFと一般アルミ電解コンデンサ 47μF、100μF、330μFのインピーダンス、ESR周波数特性を示します。

さらに、図5と同じ評価系にて、出力コンデンサにMLCC 47μFとアルミ電解コンデンサ 47μF、100μF、330μFを使用して、降圧型DC-DCコンバータの出力電圧を測定しました。
各種コンデンサによる出力電圧波形と一般的なスイッチング周波数:300kHzでのESRを示します。アルミ電解コンデンサの静電容量増加に伴いリップル電圧は低減しますが、その減少幅は小さくなっています。

その理由を式2で考えると、静電容量の増加によりリップル電圧は低減しますが、その影響はESRに比べて小さいためと考えられます。
そのため、アルミ電解コンデンサの静電容量増加により、リップル電圧を効果的に低減することは難しいと考えられます。

MLCCへ置換する際の注意点

電解コンデンサからMLCCへ置換する際の注意点として、DCバイアス(直流電圧印加)特性、異常発振および反共振について説明します。

注意点1：DCバイアス(直流電圧印加)特性

高誘電率系(種類2)のMLCCは直流電圧が印加されると静電容量が変化する特性があり、この特性をDCバイアス(直流電圧印加)特性と呼びます。
そのため、MLCCに直流電圧を印加して使用する際はDCバイアス特性を考慮することが必要です。

注意点2：異常発振

MLCCのメリットである低ESRにより、DC-DCコンバータの出力電圧が不安定になったり異常発振を起こすこともあります。
DC-DCコンバータは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ることで、一定の安定した直流電圧を得ています。
その際、平滑回路のインダクタとコンデンサにより信号の位相遅れが生じます。位相遅れが180°に近付くと正帰還のような状態になり、出力電圧の不安定化や異常発振につながります。

・異常発振を防ぐ位相補償

負帰還が安定して動作するかを判定する方法としてボード線図があります。ボード線図は横軸を周波数、縦軸を利得(ゲイン)および位相としたグラフです。
インダクタとコンデンサによる位相遅れが180°に近付くにつれて正帰還になり、出力は不安定になります。一方、位相遅れが180°の場合でも、利得を1以下(0dB以下)にすることで信号は収束して異常発振を防ぐことが可能です。
そこで、位相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。このことを位相補償と呼びます。
出力コンデンサに高ESRのアルミ電解コンデンサを使用した従来の設計では問題ありませんでしたが、低ESRのMLCCでは補償不足となり異常発振を起こすこともありますので注意が必要です。

別記事、「電源回路向けMLCCソリューション(出力コンデンサの最適構成検証)」もご参照ください。

注意点3：反共振

さらに、低ESRのMLCCをデカップリング用途で使用する際も注意が必要です。
一般的に大電流、低電圧で動作するICのデカップリング用コンデンサとして、複数のコンデンサが並列接続されます。デカップリング用途では広い周波数帯でインピーダンスが低いコンデンサが理想的ですが、MLCCのインピーダンス周波数特性はV字の様な挙動を示します。
V字の底にあたる周波数は自己共振周波数(SRF:Self Resonant Frequency)と呼ばれます。SRFが異なるMLCCが並列に実装されると、MLCCの容量成分と寄生インダクタンス成分によりLC並列共振回路が形成されます。この現象が反共振です。
反共振により強烈なインピーダンスピークが発生するため、その周波数ではノイズ除去効果が低下します。その結果、電源電圧が不安定になり、回路の誤動作が起こることもあります。

MLCC置換時の推奨品

ご使用している電解コンデンサの情報を選択することで、TDK MLCCの推奨品をご確認できます。
※製品の適合を保証するものではありません。お客様にて製品の適合性を十分にご確認の上、ご使用ください。
電解コンデンサから置き換える最適MLCCの選定法（PDF)

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TDKは設計支援ツールを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。

まとめ

MLCCの大容量化に伴い、各種電解コンデンサからMLCCへの置換が進んでいます。
MLCCへの置換により、小型/低背化によるスペース削減や低ESRによるリップル電圧の低減、さらに自己発熱量の低減による信頼性の向上など様々なメリットがあります。
一方、MLCCのメリットである低ESRにより異常発振や反共振を起こすこともあります。また、高誘電率系(種類2)のMLCCは直流電圧が印加されると静電容量が変化する特性があるので注意が必要です。
TDKはMLCCのラインナップを豊富に取り揃えており、各種電解コンデンサからの置換をサポートいたします。用途に適合するMLCCをお選びいただき、製品の信頼性向上にお役立てください。

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