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デカップリングコンデンサ EMC選定

EMC電源デカップリングのためのコンデンサインピーダンスと自己共振周波数を計算します。

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公式

Xc = 1/(2πfC), f_SRF = 1/(2π√LC)

C — Capacitance (F)
L — Package inductance (varies by package) (H)

仕組み

デカップリングコンデンサは、ICに近い高周波電流に低インピーダンスの経路を提供することにより、電源ノイズを抑制します。周波数 f での容量性リアクタンスは Xc = 1/ (2π FC) です。実際には、どのコンデンサにも等価直列抵抗 (ESR) と等価直列インダクタンス (ESL、SMD パッケージでは通常0.5～2 nH) があります。合計インピーダンスは自己共振より|Z| = √ (Xc² + ESR²) 低く、自己共振周波数はF_srf = 1/ (2π √ (L_pkg×C)) です。ここで、0402パッケージのL_pkg≈1nHです。f_SRF を超えるとコンデンサは誘導的に動作し、デカップリング効果が失われます。EMCの場合は、f_srfが抑制対象のスイッチング周波数またはクロック高調波に近い値になるようにコンデンサの値を選択してください。複数のコンデンサを並列に接続すると、低インピーダンスの帯域幅が拡張されます。

計算例

問題：ESR = 0.05Ωの100nFのコンデンサは、100kHzのスイッチング電源をデカップリングする必要があります。100 kHz でのインピーダンスはどのくらいですか。また、1 nH のパッケージインダクタンスを仮定した場合の自己共振周波数はどれくらいですか。
解決策:
1。100 kHz での Xc: C = 100 nF = 100×10F; Xc = 1/ (2π × 100,000 × 100×10) = 15.9 mΩ
2.合計インピーダンス: |Z| = √ (0.0159² + 0.05²) = 52.5 mΩ
3.SRF: f_SRF = 1/ (2π (1×10× 100×10)) = 1/ (2π × 10) = 15.9 MHz
結果: 100 kHz では、コンデンサは SRF をはるかに下回り、良好なデカップリングが得られます。15.9 MHz では共振するので、この周波数を超えると小さいコンデンサ (1 nF など) を並列に追加する必要があります。

実践的なヒント

  • ✓複数のコンデンサ値を並列に使用すると (例:10 μF + 100 nF + 1 nF)、kHzから数百MHzまでの広い周波数範囲をカバーできます。
  • ✓パッケージのインダクタンスを最小限に抑えるため、0402または0201コンデンサをIC電源ピンの直下の同じ層に配置します。
  • ✓多層PCBの場合、分散容量として電源プレーンとグランドプレーンのペアを使用します。100MHz以上では、ディスクリートコンデンサが誘導性になる場合に効果的なデカップリングが得られます。

よくある間違い

  • ✗大きなバルク・コンデンサを1つだけ使用すると、SRFを超えると誘導になります。10μFのタンタルのSRFは約1MHzです。100nFのセラミックを並列に追加すると高周波になります。
  • ✗パッケージのインダクタンスを無視すると、0805コンデンサは約2nH、0402〜0.7nHです。これにより、デカップリングされた最高周波数が直接制限されます。
  • ✗コンデンサをICの電源ピンから離して配置すると、トレースがmmになるごとにインダクタンスが増加し (約1 nH/mm)、実効ESLが上昇し、数MHzを超えるとデカップリングが低下します。

よくある質問

一般的なルールは、最大10MHzまでの周波数の場合は電源ピンあたり100nF（SRFを確認）、さらにICクラスタあたり電源レールごとに10μFのバルク・コンデンサを1つ加えることです。エッジが速いIC (DDR、GHzクロック) の場合は、電源ピンあたり10nFまたは1nFも加算してください。
静電容量の値が小さいほど、それに比例してSRFに対するESLの影響も小さくなります。10nF 0402コンデンサのSRFは約50MHzですが、100nFでは約15MHzです。100 MHz 以上のクロック高調波を抑制するには、10 nF の方が効果的です。
SRFをはるかに下回る周波数では、Xcが優勢で、ESRはごくわずかです。SRF に近い場合、ESR によって最小インピーダンス (インピーダンス = 共振時の ESR) が制限されます。EMCの場合は、一般にESRが低いほど優れているため、高周波デカップリングではタンタルよりもX5R/X7Rのセラミックコンデンサが好まれます。

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