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コンデンサの電圧係数

Matt Ellis, Syfer Technology and Tim Williams, Elmac Services

積層セラミック・コンデンサを買うとどれだけの静電容量を手に入れるか? それはデータシートで規定された値の筈であるので、奇妙な質問に聞こえるかも知れない。実際の答えは誘電体の種類、設計、そして動作条件に依存し、驚くほどの変動がある。

実際の静電容量に影響する多くの要素があり、一部は良く文書化されており、一部はそうではない。我々は皆、静電容量の許容差と温度係数のことは知っており、それらは誘電体の分類コードと部品命名体系の中で明確に規定されている。それほど明確に規定されていないのは、静電容量電圧係数、あるいは VCC (voltage coefficient of capacitance) である。

Figure 1: 一般的なセラミック誘電体の、温度と電圧に対する静電容量変化

VCC の影響

MLCC (積層セラミック・コンデンサ) で用いられている誘電体は通常は2つのカテゴリに入る; 高誘電率系と温度補償系、あるいはクラス II とクラス I。クラス I は典型的には C0G や NP0 である; これらは温度と電圧に対して非常に安定で、従って求めたものを手に入れるが、比較的低い誘電率を持ち、ある体積内で他の誘電体ほどの静電容量/体積比を与えない。クラス II はより不安定で、VCC の規定の欠如が問題が生じるところである。

VCC は、典型的には V/μm の、誘電材の特性と印加された電圧ストレスの関数である。その影響は、絶縁強度の限界に向かって漸近する、負で非線形のものである。実質的に、その喪失のほとんどはその部品が動作電圧限界に達するかなり前に生じ、ディレーティングされていても、静電容量の相当の喪失があるだろう。 Figure 2 参照。

Figure 2: 誘電体への電圧ストレスに対する静電容量の変化

例として、許容差「K」の、EIA X7R を取り上げよう。その TCC (静電容量温度係数) は規定温度範囲内で ±15% で、許容差は ±10% であるので、規定内の極限での動作では公称容量の 23.5% の変動を見るかも知れない。これは負になりそうであり、公称 100nF を仮定すると、76.5nF しかないことになる。だが、電圧を印加するとどうなるであろうか? その VCC は規定されておらず ――Figure 1 と EIA の X7R を良く見てほしい――、従って製造業者にはそれをデータシートに含める責任はない。その部品が 100V の絶縁定格で、それを 80V で使用しようとしていると仮定しよう。かなり伝統的な設計を用いると、これはその部品の本体内の電極間に 3.2V/μm の電圧ストレスを生じ、これは 40% 程度の静電容量の低下をもたらすであろう (Figure 2 参照) ことから、温度と 10% の許容差の影響を加味すると、そもそも 100nF と規定されていた場合で 40nF ということになる。

良くないが、これが最悪であるという理由はない。価格と寸法の低減の圧力のもと、MLCC の製造業者は絶えず誘電体の厚さを削り続けている; エンド・ユーザーにとっては、小さい寸法の中で最大の静電容量を得ることが常に望まれることから特に、電圧のディレーティングは過去のものとなる。一般に売られているもので、定格電圧での静電容量の 90% の喪失は珍しくない。だが、これは、標準的な X7R (2R1) ではなく 2C1 (BZ) や 2X1 (BX) の誘電体を指定することで、ある程度まで避けられる。これらの選択肢は、依然として最悪条件での 25～30% の静電容量の低下が見られるものの、あるパッケージ内での絶対静電容量と引き換えによりしっかりと管理された VCC を持つ (Figure 1 を参照)。

安全上の問題

Figure 3: 電圧と静電容量に対する 45μC 蓄積電荷

VCC は回路の機能における問題というだけではない; たとえ VCC を完全に理解しているとしても、特定の機器では規制との関係があり得る。測定、制御、及び試験所用電気機器に対する EN 61010-1:2010 安全要求は、 15kV までの電圧については、放電が >45μC、また ≥2mA となり得るならば危険ライブとみなされるというアドバイスを用いる。 15kV よりも上については、350mJ を超えるエネルギー・レベルについて同様となる。接触可能な容量性回路を持つ仮想的な試験所用 8kV 高圧電源を考えると、 45μC 規則は 8kV で 5.6nF までに制限する (Figure 3)。当該の回路が正しく動作するために少なくとも 2nF を必要とすると仮定しよう; 我々はある程度の不安定さがコンデンサにあるであろうことを知っているので、 3640 10kV 1nF の部品 5個を指定する。残念ながら、そのコンデンサは 8kV のもとでは容量の 75% を失い、従って 1.25nF しか得られないことになる。それは 45μC の限度を超えさせるであろうため、単にさらに多くのコンデンサを並列に追加することはできない; 電圧ストレスを減らして公称静電容量を維持するために部品を直列と並列に接続することもできるだろうが、これはより多くのスペースを必要とさせ、またコストを要するであろう。もっと安定したコンデンサが必要である。

幸い、一部の X7R 材は他のものよりも安定であり、要求があれば、より安定なコンデンサを生産できる。 Syfer 社は 8kV での静電容量低下が 50% 以下の 3640 1nF 10kV を生産できる; これを用いれば先の例では 1.25nF ではなく 2.6nF 程度の静電容量が残り、これは回路が正しく動作できるようにし、コンポーネントの数を 5個から 4個に減らせるようにもするであろう。

EMC 設計への影響

Figure 4: 異なる静電容量に対する自己共振周波数

この効果は EMC 関連の設計問題に対して何を意味するだろうか? EMC に関係する、MLCC の 2つの主な用途がある: インターフェースのフィルタ、及びデカップル。静電容量の変化がこれらの用途のいずれに対してより深刻な影響を持つかは、他の何にも増して、周波数に依存する。これは、EMC の応用は広い帯域幅をカバーし、コンデンサがその自己共振周波数の下でも上でも用いられ得るためである。

どの2端子コンデンサも、自己共振周波数で最小のインピーダンスを示すだろう (Figure 4)。これは、C を実際の静電容量、 L をパッケージとビア、パッド、そしてそれを接続する配線のインダクタンスの合計として、 1 / 2π√(LC) で与えられる。この周波数よりも上では、その性能を決定するのは静電容量ではなく自己インダクタンスである。 Figure 4 はいくつかの容量のコンデンサのインピーダンスを示す。これから、100nF 程度以上の容量と 10MHz 以上の周波数に対しては、インダクタンスのため、そのインピーダンス (従って回路上の効果の喪失) が周波数とともに上昇することが明らかである。

デカップリング

デジタルのデカップリングの用途は、通常は、電源レール上のクロックの高調波が高レベルのエミッションを引き起こし得る、あるいは侵入した RF やトランジェントの干渉が望ましくない妨害を引き起こし得る VHF 帯以上で最も重要である。それぞれの IC でローカルにデカップリングすることはこのノイズが電源網を広く循環することを防ぐが、実際のコンポーネントはこの領域ではインダクタとして振る舞い、従って実際の静電容量はインダクタンスほど重要ではない。パッケージの寸法と形状、そして PCB レイアウトが、最も重要なパラメータである; その静電容量は、自己共振よりも下でのインピーダンスを低く保つために充分に大きくなければならないだけである。

デカップリングの (EMC の視点からの) 第二の理由は、電源レール上の顕著な電圧リップルが IC の DC 動作閾値を超えないようにすることである。これは、システム内に、ある最小値以上の総静電容量を必要とするかも知れない。デカップリング方式が並列の多くのコンデンサを持つことは普通であるので、ある DC レール電圧とコンデンサ定格に対して、(例えば Figure 2 や類似のデータを用いて) VCC に対する余裕のために必要な総容量をどれだけ増やすかを計算することは単純なこととなる。

フィルタ

フィルタ・コンデンサにおける状況はいくらか異なる。ここでは、より低い周波数の用途がより典型的である。電源の伝導性エミッションと伝導性イミュニティの双方について、商用の応用については下限の周波数は 150kHz で、軍需や航空宇宙については著しく低くなる。 kHz の領域では、電源フィルタは主にある電圧のために最小の空間で最大の静電容量を得るという問題であり、二次的な問題として漏洩電流やサージ保護なども重要となる。信号線のフィルタでは、追加の側面の1つはそのコンデンサは所望の信号帯域幅に影響すべきでないということであり、この制限と最低の有効なフィルタ周波数のあいだに決定的なトレードオフがあり得る。

いずれの場合でも、MLCC の特性に対する実際の圧力があり、フィルタの性能への VCC の影響の評価が重要となろう。その必然的な帰結は、EMC の予備適合試験は該当するコンポーネントの両端に生じる最悪条件の DC 電圧 (最大とともに最低でも) で行なうべきである、あるいは LF エミッション限度に対して余裕を設けるべきであるというものである。単一のコンポーネントのフィルタについては、静電容量の 50% の喪失は減衰の 6dB の悪化をもたらし得る。伝導性イミュニティについては、2倍の過剰試験、例えば 10V の代わりの 20V の印加が必要となるであろう。高い VCC のコンデンサ ――特に (例えば) X や Y 定格の主電源フィルタ・コンポーネントとしての X7R コンデンサ―― を AC 回路で使用する際の帰結の1つは、フィルタの減衰が AC 電圧によって変調されるであろうことである。勿論、この影響を電源ノイズ特性の 100/120Hz 変調の他の発生源から分けることは難しいであろう。また、(車両や海上の用途での 12/24V のような) 複数の電圧の DC 電源については、 VCC による変化はフィルタに異なる電源電圧でかなり異なる特性を持たせ得る ―― ここでも、変動の他の原因から分けることは難しい。あなたの意図がケーブル・インターフェースへのフィルタ・コンデンサの適用によって 30MHz 以上の放射エミッションを制御することだけであれば、コンデンサの容量は通常はそれほど重要ではないので、その圧力は小さい; だが、Figure 4 が示すように、1～10nF の範囲のコンデンサは 30～200MHz に自己共振を持つことが予期され、これはケーブル結合にとって危険な領域となる。自己共振は特定のエミッション周波数を止めるのに特に (そしておそらく思いがけないほどに) 効果的となるかも知れないが、その場合、静電容量の変動はこの共振周波数をシフトさせ (√ΔC だけ)、予期したよりも大きいエミッションの結果をもたらすであろう。

まとめ

VCC は、しばしば見落とされ、特定の応用で著しい問題を引き起こし得る、コンポーネントの重要な特性である。電圧ディレーティング ――コンデンサを定格電圧よりも著しく下で動作させる―― は静電容量の低下の程度を制限するであろうが、これは通常はパッケージの大きさとのトレードオフを伴う。 C0G/NP0 のような温度補償系誘電体の選択も同様である。標準的な市販のコンポーネントには性能の違いがあり、従って是正処置の必要を避けるために初期設計段階で供給者のアドバイスを求めるのが最良である。

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2013-03-24