2020年2月6日スポンサーリンクこの記事ではバイパスコンデンサ(パスコンやデカップリングコンデンサとも呼ばれる)について、役割や配置場所や最適容量などを詳しく説明します。バイパスコンデンサとは?バイパスコンデンサとは、以下の役割を備えた電源ラインとグラウンドに接続されているコンデンサです。役割1:ICにノイズが流入する、ICからノイズが流出するのを防ぐ役割2:電源電圧の変動を防ぐ役割3:ICが必要な電力を補充する役割4:ノイズを閉じ込めるバイパスコンデンサはパスコンやデカップリングコンデンサとも呼ばれます(本記事ではパスコンと記載します)。capacitorと書きます(20世紀初頭まではコンデンサを英語では「Condenser」と言いましたが、現在はコンデンサを英語では「Capacitor」と言います)。電源のノイズをバイパス(bypass=迂回する)役割があるため、バイパスコンデンサと呼ばれています。役割1:ICにノイズの流入する、ICからノイズが流出するのを防ぐ電源ラインとグラウンドに対する交流的なインピーダンスを下げることで、電源から発生したノイズがICに流入することを防いだり、ICのスイッチング動作によって放出されるノイズが電源ラインに流出するのを防ぐことができます。パスコンを通して、ノイズをグラウンドに落とすということです。補足:電源ラインとグラウンドに対する交流的なインピーダンスを下げるとは?定電圧源である電源の内部抵抗は理想的には0Ωとなりますが、実際は微小なインピーダンスがあります。電源とICをつなぐ配線にはインダクタンス成分や抵抗成分があるため、ICから電源側を見るとインピーダンスが微小にあります。そこで、パスコンをICの電源ピン(VCC)の近傍に接続することによって、ICから電源側を見たときにおいて、電源ラインとグラウンドに対する交流的なインピーダンスを下げることができます。役割2:電源電圧の変動を防ぐパスコンはノイズをグラウンドに落とすだけでなく、パスコンから過渡電流を供給することによって、電源電圧の変動を小さくすることもできます。電圧変動はICの誤動作の原因や放射ノイズの原因となります。パスコンがない場合に電圧はどれくらい変動するのか?ICは内部の論理回路が「LからH」または「HからL」に変化する瞬間に過渡電流が流れます。この過渡電流は、電源ラインに存在するインダクタンス成分や抵抗成分によって電圧変動を引き起こします。この電圧変動は、電源ラインに存在するインダクタンスを\(L\)、時間\(dt\)の間に電流が\(di\)変化したとすると、\(L×\displaystyle\frac{di}{dt}\)に相当する電圧となります(抵抗成分は無視しています)。2nH×\frac{50mA}{1ns}=100\mathrm{[mV]}\end{eqnarray}の電圧が電源ラインに誘起されるため、電源ラインとグラウンド間に電圧変動が生じます。この電圧変動は電源ピン(VCC)のノイズマージンを超えると、誤動作を引き起します。この過渡電流は放射ノイズの原因となります。そこで、パスコンをICの電源ピン(VCC)の近傍に接続することによって、インダクタンス成分を小さくできるため、過渡電流による電圧変動を抑えることができるようになります。役割3:ICが必要な電力を補充するパスコンを接続する理由として、ICが必要な電力を補充する目的があります。一時的な電力のため池の役割を果たしているということなります。ICは内部の論理回路が「LからH」または「HからL」に変化する瞬間に過渡電流が流れます。このICの動作に必要な過渡電流をパスコンに蓄積した電荷の放電によって補充することで、電圧降下を抑制します。この過渡電流の最大値はICのデータシートには、最大消費電流と一般的には記載されています。過渡電流値\(I\)が50mA、過渡電流の流れる時間\(t\)が50ns、電源電圧\(V\)を20Vとして、この過渡電流を全てパスコンで供給するために必要な容量を計算してみます。電荷\(Q\)は電流と時間の積で表されるため、\begin{eqnarray}Q=I×t=50mA×50ns=2.5\mathrm{[nC]}\end{eqnarray}となります。=0.000125\mathrm{[{\mu}F]}\end{eqnarray}となります。コンデンサは電荷を放電すると電圧が下がるため、上記で求めたパスコンの容量よりも大きな値が必要です。Idt=\frac{Q}{C}=\frac{2.5nC}{0.1{\mu}F}=25\mathrm{[mV]}\end{eqnarray}となります。役割4:ノイズを閉じ込めるパスコンを接続することで過渡電流をICとパスコンの間に閉じ込めることができるため、過渡電流が電源ラインに流れるのを防止することができます。過渡電流はノイズの原因となることは先ほど説明しました。パスコンはノイズをICとパスコンとの間に閉じ込め、ノイズが電源ラインに発生するのを防止するということになります。パスコンは回路を安定に動作させるだけでなく、ノイズの防止にも役立つ部品なのです。Inductance)で表されます。このESRとESLによってパスコンの周波数特性はV字型となります。ESRとESLが小さいコンデンサほど過渡電流が流れた時における電圧変動を抑えることができます。パスコンの周波数特性パスコンの直列インピーダンス\(Z\)は容量を\(C\)、等価直列抵抗(ESR)を\(R\)、等価直列インダクタンス(ESL)を\(L\)とすると以下の式で表されます。}\end{eqnarray}となる周波数を直列共振点といいます。直列共振点におけるインピーダンスは等価直列抵抗(ESR)のRのみとなります。下図に容量の異なるパスコンの周波数特性を示します(0.1uFが赤線、1uFが青線、10uFが緑線)。下図において等価直列抵抗(ESR)はR=0.01Ω、等価直列インダクタンス(ESL)はL=1nHとしています。下図より、直列共振点以上の周波数では周波数が上がるとインピーダンスが増加していることが分かります。パスコンは直列共振点までしか働かないことを意味しています。パスコンの容量を大きくしたからといって、インピーダンスが小さくなるわけではないということに注意が必要です。パスコンの並列接続パスコンは1個だけ接続するのではなく、複数個を並列接続して使用する場合があります。この場合、小さな静電容量のコンデンサほどICの近くに配置するのが一般的です。同じ静電容量のコンデンサを複数個接続する場合と、異なる静電容量のコンデンサを複数個接続する場合で効果が異なります。上図は0.1uFのコンデンサ(ESRが0.1Ω、ESLが1nH)を1個接続した場合(ピンク線)、2個並列接続した場合(赤線)、3個並列接続した場合(青線)の周波数特性です(LTspiceでシミュレーションしました)。コンデンサの並列接続数が増加するほど、全周波数領域でインピーダンスが低下します。そのため、ノイズをより減衰することができるようになります。共振点におけるインピーダンスは各コンデンサのESRの並列接続となります。そのため、3つのコンデンサのESRが同じ場合、共振点におけるインピーダンスZはコンデンサを1個接続した場合と比較すると、1/3に低減します。上図に0.1uFのコンデンサ(ESRが0.1Ω、ESLが1nH)と1uFのコンデンサ(ESRが0.01Ω、ESLが1nH)と10uFのコンデンサ(ESRが0.001Ω、ESLが1nH)を並列接続した場合の周波数特性です(LTspiceでシミュレーションしました)。0.1uFのコンデンサ(ESRが0.1Ω、ESLが1nH)は赤線、1uFのコンデンサ(ESRが0.01Ω、ESLが1nH)は青線、10uFのコンデンサ(ESRが0.001Ω、ESLが1nH)は緑線の周波数特性となっており、3個のコンデンサを並列接続した時の周波数特性がピンク線となっています。小さな静電容量のコンデンサで高い周波数領域のインピーダンスを下げ、大きな静電容量のコンデンサでは低い周波数領域のインピーダンスを下げます(容量が小さい方が高周波特性が良いということ)。逆に反共振点ではインピーダンスが高くなります(この反共振点は容量性と誘導性が交わる点で発生します)。0.1uF、1uF、10uFのコンデンサを並列接続したので11.1uFになるだけでなのでは?と考える方もいらっしゃると思いますが、コンデンサを並列接続することによって、各コンデンサの周波数特性の違いを活用できるため、広い周波数範囲でインピーダンスを下げることができるのです。このように、パスコンを並列接続すると、広い周波数範囲でインピーダンスを落とせるというメリットがありますが、パスコンの配置スペースが大きくなってしまうので、本当にノイズに対して重要な部分のみに並列接続を使用します。パスコンの容量パスコンの容量はどの周波数のノイズを減衰させたいかによって選定します。コンデンサは容量(C)以外にも等価直列抵抗(ESR)と等価直列インダクタンス(ESL)を持つため、周波数特性は共振点を持ったV字型となり、共振点付近のノイズを一番減衰することができます。このパスコンの容量はどのように決めるのでしょうか・・・。私は以下のようにパスコンの容量を選定しています(ここは人によって様々だと思います)。電源IC等にはデータシートにパスコンの接続例と容量が載っていることがあります。理由がない場合には、この載っている容量を接続します。一般的なデジタル回路で用いるパスコンの容量は0.01uF~0.1uFとなっています。0.1uFという少し高めのパスコンを接続する場合0.1uFのパスコンの共振周波数は約20MHz~50MHzであり、低い周波数範囲から広い範囲でノイズを減衰させるという考えで接続しています。高周波のノイズをしっかり減衰させるという考えで接続しています。100MHz程度で動作するICには0.01uFのパスコンを接続します。パスコンの配置場所パスコンは電源ピン(VCCピン)から最短で配線してください。電源ピン(VCCピン)から離れれば離れるほど効果が薄くなります。パスコンをICの電源ピン(VCC)の近傍に実装することで電流ループが小さくなり、過渡電流が流れるループが小さくなります。まとめこの記事では『バイパスコンデンサ(パスコン)』について、以下の内容を説明しました。当記事のまとめバイパスコンデンサ(パスコン)とは?パスコンの役割パスコンの等価回路パスコンの周波数特性パスコンの並列接続パスコンの容量パスコンの配置場所お読み頂きありがとうございました。当サイトでは電気に関する様々な情報を記載しています。当サイトの全記事一覧には以下のボタンから移動することができます。全記事一覧スポンサーリンクスポンサーリンクTwitterShareGoogle+PocketHatenaLINEauthor関連記事コンデンサスーパーキャパシタの『種類』について!EDLCとは?スーパーキャパシタは、数10mF以上の非常に大きな静電容量があるため、メモリー等のバックアップなどに使用されるコンデンサです。ウルトラキャパシタとも呼ばれています。...コンデンサ【セラミックコンデンサ】DCバイアス特性とは?セラミックコンデンサ(セラコン)の型番には静電容量(単位[F])が記載されていますが、この静電容量がセラミックコンデンサに印加する直流電圧によって変化することをご存知でしょうか。電解コンデンサはリプル電流が流れることによって、温度が上昇します。この記事では、電解コンデンサの『素子表面の温度上昇』と『素子中心の温度上昇』の計算方法について説明します。種類によって分類することができます。この記事では電解コンデンサを一覧表にし、特徴をまとめました。これ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