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）

出力コンデンサ 最適構成検証

下記評価条件において以下①～②の２構成において最適な出力コンデンサ構成を検証します。
以下の評価条件、項目にて検証します。

MLCCは導電性高分子コンデンサと比べて優れたESR、ESL特性を持っています。
導電性高分子コンデンサからMLCCに置換することでESR、ESLを低減させることができます。

負荷固定時、負荷変動時共に構成②MLCCで電圧変動を抑制することが可能です。
「インピーダンス/ESR特性」で示した通り、構成②MLCCは低ESR,低ESLが可能となり電圧変動の抑制が可能です。

構成	導電性高分子コンデンサ	MLCC(位相補償調整後)
品名/仕様	2.5V 7343 330μF x3pcs	CGA6P1X7T0G107M250AC x10pcs 4.0V 3225 100μF
合計容量　[μF]	990	1000
固定負荷時 電圧変動[mV] Δiout:30A
負荷変動時(立上り) 電圧変動[mV] Δiout:0A→30A Δiout/dt:100A/μs

MLCC搭載を増やすことによる低ESRの影響と安定性に関して

電圧変動の抑制にはMLCCを搭載数を増やす事が有効であることを示しましたが、一般的にMLCCの搭載数を増やすことによる低ESRの影響により、電源ICの仕様によっては安定性は低下する傾向にあります。そのため電源ICの周波数特性であるボード線図をFRA（周波数特性分析器）等で取得・確認することにより電源の応答性と安定性の関係を確認することが重要となります。また安定性の調整は、下記に示す電源回路ブロック図の外部位相補償回路やフィードバック部にあるコンデンサや抵抗の定数を調整することが一般的です。

*具体的な調整方法等はご使用される電源ICによって異なります。調整方法等はICメーカーに直接お問い合わせください。

項目	ポイント	電圧変動に与える影響
クロスオーバー周波数	高い方が高速動作 ⇒応答性に影響	電圧変動を低減
位相余裕/ゲイン余裕	高い方が安定動作 ⇒安定性に影響	リンギングや異常動作を防止

余裕度が不十分な場合の対策例：位相補償部の調整

位相補償部の調整による電圧変動時の波形を以下に示します。
調整前後と比較してクロスオーバー周波数を43kHzから63kHzに高速化したことにより、電圧変動は31mV低減しました。
また調整後は位相余裕度が30degから53degに大きくなっており、調整前に見られたリンギングの波形が見られないことから安定性も改善していることが判ります。
FRA（周波数特性分析器）をお持ちでない場合、波形観測時にリンギングや発振が発生していないかが安定性の目安となりますので、実測時にご確認ください。

MLCC　位相補償	調整前	調整後
固定負荷時 電圧変動[mV] Δiout:30A
負荷変動時(立上り) 電圧変動[mV] Δiout:0A→30A Δiout/dt:100A/us
	リンギング有無が安定性の目安になります

出力コンデンサ 最適構成検証　まとめ

評価結果をまとめると以下の通りとなります。

• 大電流・高スルーレート環境になると負荷急変時の電圧変動は出力コンデンサのESR、ESL成分による影響が大きくなります。
  MLCCは低ESR,低ESLが可能となり電圧変動の抑制が可能です。
• 一般的にはMLCCの低ESR化により安定性（位相余裕度）が低くなる傾向にありますが、その場合は位相補償回路の定数を見直す事をご検討ください。
• 出力コンデンサの構成設計にあたっては、電圧変動だけではなく、電源の安定性も考慮した上で最適化する必要があります。
• 高信頼性が要求させるセットにおいてもTDKの車載対応大容量MLCCを使用するより電気的特性と信頼性を確保することが可能です。
• 使用回路に求められる電気的性能や、実装面積制限、員数制限など、諸制約に応じて、最適な部品選定が出来るようにTDKでは豊富なラインナップを揃えています。TDK製品ラインナップやデータシート、技術支援ツールなど弊社Webホームページにてご確認頂けます。

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