入力コンデンサと配線のインダクタンスで共振する？
- ステップダウン型のDC/DCコンバータが異常な動作を起こす原因について調査しました。
- コンバータの入力コンデンサ容量や配線のインダクタンスと異常動作の関係について検証しました。
- 結果として、C1とC2の容量や距離が異常動作に影響し、配線のインダクタンスとの共振が原因である可能性があることがわかりました。
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入力コンデンサと配線のインダクタンスで共振？
ステップダウン型のDC/DCコンバータが下記のような条件では起動時に異常な動作が起こってしまいました。 ・コンバータの入力コンデンサはC1=22μFとC2=10μF×3(C2はIC直近) ・コンデンサはセラコン ・C1とC2は若干離れている 以下のようなことをやると異常な動作は起こりませんでした。 ・C1の容量を22μF以下(10μF及びなし)にする ・C1の容量を100μFにする。 C1の容量を上げていくと異常動作が悪化する方向になるのですが、あ る程度容量を大きくすると異常動作はおさまりました。 ・C1とC2の距離を短くする。(C1をコンバータ側に近づける) なぜこのような現象が起きたかわかりません。C1の容量を大きくすればノイズ等に強くなり安定動作すると考えたのですが悪化してしまいます。逆にC1をはずす方が安定していました。C1とC2の距離が離れていることが原因のようなのですが、なぜでしょう？C1とC2の間の配線のインダクタンス分で共振してしまったのでしょうか？長くなってすみませんがどうか教えてください。
- kameme0619
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反共振とは、「並列共振」のことです。 教科書には出ていないかも知れませんが、学生の負担を軽減するように 新しい言葉をあまり使わないようにしてますから。 お金に余裕があれば、PS3に採用されたこんなのもあります。 http://www.nec-tokin.com/product/cap/proadlizer/about01.html 今度の問題は、ICメーカーのFAEに訊けば解決すると思われます。 ICメーカーのやっているこのような無料セミナーを受講するのも良いでしょう。 「初心者のための電源設計セミナー」 http://focus.tij.co.jp/jp/analog/docs/analogsplash.tsp?contentId=41726 受講者が10名程度いれば、出張セミナーもやってくれます。
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# です。少し補足を。 >さらに、離れた個所の配線も要工夫です。 配線ループ面積を小さくする、ということです。 離れた個所の配線の実態が不明なので、確言はできませんけど..... 。 寄生的な反共振の多発も回避できます。 ------------------ [参照例] http://www.analog.com/library/analogDialogue/japan/archives/41-06/ground_bounce.html >DC/DCコンバータのグラウンド・バウンスを抑える - グラウンディングの基本
- tadys
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- anachrockt
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どんなIC使って、どんな仕様で作っているのかわからないので何とも言えませんが、例えばこのTPS54350だと http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/tps54350.pdf p.13にアプリケーション情報があり、「PCBレイアウト」の注意が乗っています。 p.15に「入力キャパシタ」の説明があって、入力コンデンサには2種類「入力デカップリング・キャパシタ」と、「入力バルク・キャパシタ」が必要とか。 いろんな注意点が以下に載っています。 どんな部品をどんなプリント基板で使ったらよいかは、こちらに載っています。 http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ug/slvu097a/slvu097a.pdf 起動時に異常動作するのは、入力側の立ち上がり特性がICの想定からはずれているためで、原因はICメーカーに問い合わせないとわからないでしょう。 いずれにしろ、高速なDC/DCコンバータは、ICメーカーの評価基板を参考に部品、パターンともパクルのが吉です。 ICメーカーにはFAE（フィールド・アプリケーション・エンジニア）がいますから、正常動作するまで面倒見てくれるはずです。
>C1とC2の距離が離れていることが原因のようなのですが、..... 皆さんのコメントのように、C の分割が効きそうです。 さらに、離れた個所の配線も要工夫です。 ペア線ならツイストするとか、ストリップならインピーダンスを低くするとか ..... 。
- electron11
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チップ積層セラミックコンデンサーはＲＦ特性が大変よろしいのですが大容量ともなりますと共振点が低くなります ｆ 特性を調べましょう カタログにｆ/インピーダンス グラフが載ってます コンデンサーは周波数が上がると共にインピーダンスが下がって行きますが やがて共振点を過ぎますと今度は逆に上がります この周波数ではコンデンサーでは無くインダクターになるという事です この最低インピーダンスポイントがコンデンサー自身の共振周波数で これにリード叉はプリントパターンが附加されて長くなりますと更に共振周波数が下がります 使う周波数はこの共振点より十分低い必要があります D/Dコンの場合はスイッチング速度で決まる周波数成分が先の共振点より十分低い必要がありますが大容量コンのみでは無理かも知れません それで昔から大容量コンに小容量コン（セラミック）を並列接続するのです 小容量コンは容量が小さくなる分 共振点が高いので総合での共振点が高い方に移動し理想的コンデンサーに近づくのです これ常識 ところで出力電流が書いてありませんが１Ａ程度でしたらスイッチング速度にもよりますが100μF以上は必要かも？ 入出力のコンデンサーはノイズ対策では無く D/Dコンのスイッチングによる充放電を素早く行なう為です だからD/Dコンの近くに近づけるのです 入力のコンデンサーから放電し出力のコンデンサーへスイッチングによって移動（充電）させるのです 等価的に電圧変換もしているのです。
- outerlimit
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そのコンデンサの高周波特性を確認してありますか ？ μF級のセラミックコンデサは nF級の物と同等の高周波特性を達成しているとは考えにくいいです そのコンデンサでは ある程度以上の周波数ではバイパスコンデンサの役割を果たしていないための 寄生振動が発生しているのでしょう 一般的に、ディジタル化・素子の性能向上に甘えて、設計が安易になったしまう傾向が見受けられます 0.01～0.1μF程度のセラミックコンデンサをパラに接続してお試しください 三端子レギュレータでも 0.01～0.1μFと数百μFのコンデンサを並列に接続するのは常識です
- tadys
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どんなICを使ってどんな異常が起きているか説明が無いのではずしているかもしれません。 安定化電源は入出力のコンデンサが原因で発振する事はよくあります。 例えば下記の７ページ http://www.necel.com/nesdis/image/G10634JJ5V0DS00.pdf 容量が大きくなると位相の回転が大きくなって発振するのです。 発振に対してどれぐらい余裕があるかは具体的な回路によって違うので簡単には答えられません。 レギュレータによってはセラミックコンデンサの使用を禁止しているものもあります。 ケミコンを使いたくない場合は性能に影響のない範囲でコンデンサにシリーズ抵抗を入れることで対策できる場合もあります。 配線のインダクタンスとコンデンサで共振する場合は有ります。 コンデンサを複数使用した場合、２つの共振回路で反共振になってインピーダンスが上昇する場合もあります。 複数のコンデンサをパラレルにする時はそれぞれの共振周波数と反共振周波数を考慮して、値と配置を決める必要があります。 ICから離れたコンデンサは低域のディカップリング用としてESRの大きいものを使うのが良いかもしれません。
- outerlimit
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コンデンサの種類を間違えて記載されていませんか ？ セラコン ってセラミックコンデンサの事 ？ セラミックコンデンサならば 容量が違いすぎるような・・・ 電解コンデンサ(ケミコン)なのでは ？ 電解コンデンサは その構造上 かなりインダクタンスを持ちます そのために 0.01～0.1μF程度の高周波特性の良いコンデンサをパラに接続するのは 回路設計の常識です （インピーダンスを検討すれば理解できるでしょう）
補足
セラミックコンデンサを使用しています。 大容量のチップ積層セラミックコンデンサです。 C1 22μF・・・温度特性：B特性 サイズ：3216 耐圧6.3V 100μF・・・温度特性：B特性 サイズ：3216 耐圧6.3V C2 10μF・・・温度特性：X7R特性 サイズ：2012 耐圧6.3V 以上、ムラタ製です。
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