電子設計 - pcb設計におけるpcbキャパシタの役割

PCBキャパシタはプリント基板（PCB）で使用される受動電子部品であり、主に電荷を蓄積し、回路で電荷を放出するために使用される。これらは通常、2つの導電板と絶縁媒体の層から構成されており、この構造によりコンデンサが電気エネルギーを貯蔵し、必要に応じて放出することができる。

キャパシタは実際には6つの部分から構成されているはずです。自身の容量Cに加えて、以下の部分から構成されています。

1.等価直列抵抗ESR RESR：キャパシタの等価直列抵抗はキャパシタのピン抵抗と直列キャパシタの2つの極板の等価抵抗から構成される。大交流電流がRESRを流れると、RESRはキャパシタにエネルギーを散逸させる（それにより損失を招く）。これは高リップル電流を持つ無線周波回路と電源デカップリングキャパシタに深刻な結果をもたらす可能性がある。RESRが最も低いキャパシタはマイカキャパシタと薄膜キャパシタであるが、精密高インピーダンス小信号アナログ回路に与える影響は少ない。

2.等価直列インダクタンスESL LESL：キャパシタの等価直列インダクタンスはキャパシタのピンインダクタンスと直列キャパシタの2つの極板の等価インダクタンスから構成される。RESRと同様に、精密回路自体が直流または低周波の条件下で良好に動作しているにもかかわらず、LESLは無線周波数または高周波の動作環境において深刻な問題である可能性がある。その理由は、周波数ホッピングが数百メガヘルツやギガヘルツに広がっても、精密アナログ回路に用いられるトランジスタには利得があり、共振信号の低インダクタンス増幅を可能にするからである。これが、回路の電源側が高周波で正しくデカップリングされるべき主な理由である。

3.等価並列抵抗EPR RLは、我々が通常言う容量性ドレイン抵抗である。RLは、アナログ積分器やサンプルホルダなどの交流結合アプリケーション、記憶アプリケーション、および高インピーダンス回路にキャパシタを使用する際の重要なパラメータである。理想的なキャパシタの電荷は外部電流だけで変化しなければならない。しかし、実際のキャパシタにおけるRLは、RC時定数で決定された電荷の速度でのゆっくりとしたリークをもたらす。

4.RDAとCDAの2つのパラメータも容量分布パラメータであるが、実際の用途では影響は大きくないので、ここではこれ以上説明しない。そのため、ESR、ESL、EPRの3つの重要な容量分布パラメータがあります。その中で最も重要なのはESRとESLです。実際には、RLC簡略化モデルのみが容量モデルを分析するために使用され、すなわちC、ESR、ESLに基づいて容量を分析する。

5.詳細なモデルを紹介した上で、私たちの設計でよく使用される2つのキャパシタについてお話しします。

6.タンタル及びアルミニウム電解コンデンサなどの電解コンデンサは大容量である。その低分離抵抗、すなわち小等価並列抵抗EPRと高リーク電流（典型的な値520 na／188 f）のため、これらは記憶と結合に適していない。電解コンデンサは、電源のバイパスコンデンサとして安定化するのに適しています。交流結合や電荷蓄積に最適なキャパシタは、PTFEキャパシタやその他のポリエステル（ポリプロピレン、ポリスチレンなど）キャパシタである。

7.モノリシックセラミックコンデンサは、等価直列インダクタンスが非常に低く、すなわち等価直列インダクタンスESLが非常に小さく、デカップリング帯域が非常に広いため、高周波回路デカップリングコンデンサに適している。これはその構造と大きな関係がある。モノリシックセラミックコンデンサは、直列に巻かれるのではなく、母線と平行に配列された金属とセラミック薄膜で構成されています。

pcbにおけるコンデンサの役割

1.結合作用

PCBボードのキャパシタは、特に低周波信号の伝送において、主に信号の結合作用を担当している。結合容量により、低周波信号は回路間で効率的に伝送でき、回路前後の静電干渉を防止することができる。

2.フィルタリング

フィルタリングは回路におけるキャパシタの重要な機能の1つである。コンデンサは不要な高周波信号を抑制し、電源線や信号線上のフィルタとして、電力出力をより安定させることができる。大容量キャパシタは通常、最適な信号品質を実現するために高周波フィルタリングに使用される低周波フィルタリングを担当します。

3.デカップリング

デカップリングキャパシタの主な機能は、集積回路（IC）に低インピーダンスの電源経路を提供し、電源システムにおけるノイズを除去し、回路の安定性を確保することである。これらのキャパシタは、インダクタンスとインピーダンスを最小限にするために、ICの電源ピンにできるだけ近い位置に配置する必要があります。

4.貯蔵エネルギー

エネルギー貯蔵コンデンサの主な目的は、回路の通電時に必要な電力を迅速に供給することである。エネルギー貯蔵キャパシタは通常、電力需要が急に増加したときの電圧変動を緩衝し、電源の安定性を保証する容量値が大きい。設計では、エネルギー貯蔵キャパシタのレイアウトは、負荷との相対的な位置も考慮して、効率を確保しなければならない。

5.ノイズフィルタリング

キャパシタは干渉信号フィルタリングのバイパス回路によって実現することができる。バイパスキャパシタは通常、高周波ノイズをバイパスするために使用され、信号増幅時に低周波信号だけが回路の次の段に入ることを保証する。これは回路の信号完全性を高めるために重要である。

6.レイアウトの重要性

PCB上のコンデンサのレイアウトは回路性能に直接影響する。適切なレイアウトは、信号干渉を減らすだけでなく、電源の完全性を高めることもできます。キャパシタはできるだけ電流経路に配置して、フィルタリングとデカップリング機能を十分に発揮することを確保しなければならない

PCBを設計する際に適切なキャパシタを選択するには？

1.アプリケーション要件の決定

適切なキャパシタを選択する前に、まず回路におけるキャパシタの具体的な用途を定義する必要があります。例えば、キャパシタは、フィルタリング、デカップリング、結合、または貯蔵などの異なる機能に使用することができる。異なるタイプのキャパシタは、電源内の高周波ノイズを除去するために主にデカップリングキャパシタを使用し、電力システムの安定性とノイズ抑制のためにフィルタキャパシタを使用するなど、異なる目的に適しています。

2.コンデンサの種類を考える

キャパシタの選択は、実際の必要に応じてタイプを決定する必要があります。一般的なキャパシタタイプには、アルミニウム電解キャパシタ、セラミックキャパシタ、タンタル電気容器が含まれる。アルミニウム電解コンデンサは大容量、低周波電力バイパスに適しているが、セラミックコンデンサはその低等価直列インダクタンスのため高周波デカップリング回路に適している。

3.容量と電圧レベルに応じて選択する

容量値を正しく選択することは極めて重要であり、コンデンサの容量は回路の要求を満たすことができ、その定格電圧は回路中の最高動作電圧より高い必要がある。動作条件下でキャパシタ故障をトリガしないように十分な電圧マージンを確保する。

4.環境要因を考慮する

使用環境の温度、湿度、振動などの要因もコンデンサの選択に影響します。一部のタイプのキャパシタは高温または極端な環境では性能が劣るため、特定の動作環境に適したキャパシタを選択する必要があります。

5.周波数応答とESR

高周波回路の設計では、コンデンサの周波数特性と等価直列抵抗（ESR）に注意する必要がある。ESRの低いキャパシタを選択することは、回路性能の向上に役立ち、特に信号が急速に変化する場合、低ESRは電力損失と熱発生を低減することができる。

6.包装タイプとレイアウト

キャパシタのパッケージタイプは、回路基板のレイアウトや電子部品の密度に影響を与える可能性があります。そのため、PCB設計に適したパッケージ形式を選択する必要がある。適切なレイアウトにより、キャパシタが最適な方法で回路に接続できるようになり、干渉を最小限に抑えてパフォーマンスを向上させることができます。

PCBキャパシタはプリント基板（PCB）の中で極めて重要な役割を果たし、結合、フィルタリング、デカップリング、エネルギー貯蔵とノイズフィルタリングなどの多種の機能を担っている。適切なキャパシタを選択することは回路安定性と信号完全性を高めるだけでなく、異なる操作条件下の回路性能を最適化することもできる。