コンデンサ･インダクタ･EMCの基礎知識

コンデンサ・インダクタ・EMCの
基礎知識
for Windows
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コンデンサの“いろは”
実際のコンデンサのインピーダンス特性
コンデンサのインピーダンス等価回路はＲＬＣ直列モデルになる
周波数変化
インピーダンス
ESR
成分変化
インピーダンス
コンデンサの各成分
ESR：大
周波数
周波数
インピーダンス
ESL
インピーダンス
周波数によらず一定
周波数
周波数
インピーダンス
インピーダンス
周波数の増加と共に増加
容量
ESL：小
容量：大
周波数
周波数の増加と共に減少
直列接続したときのインピーダンスは？？？
周波数
実際のコンデンサのインピーダンス特性
○成分の違いによるインピーダンス
○直列接続のインピーダンス
100
100
1
0.1
0.01
0.001
0.001
10
インピーダンス　[Ω]
10
インピーダンス　[Ω]
ESLで決まる
インピーダンス
容量で決まる
インピーダンス
共振点
0.01
0.1
ESRで決まる
インピーダンス
1
10
周波数　[MHz]
・共振点では容量、ESLのインピーダンスはない
（ESRのインピーダンスのみ）
・共振点の周波数は容量、ESLで決まる
100
容量：大
1
0.1
ESL：小
0.01
共振点
→容量：大、ESL：大
0.001
0.001
0.01
0.1
1
周波数　[MHz]
ESR：小
10
各成分の大きさで特性が変わる
100
実際のコンデンサのインピーダンス特性
○コンデンサの種類による周波数特性
○ESRは周波数によって変化する
Impedance,ESR Freq.-Temperature Characteristic
100
1000
R
100
10
Z
インピーダンス・ESR　[Ω]
Impedance,ESR[Ω]
Ta　47μF　ESR
Ta　47μF　Z
NEO 47μF　ESR
NEO 47μF　Z
SPCAP 47μF ESR
SPCAP 47μF Z
MLCC47μF　ESR
JM432BJ476MM　ESR
MLCC47μF　Z
JM432BJ476MM　Z
SDK47μF　ESR
SDK47μF　Z
10
1
0.1
1
0.1
0.01
0.01
0.001
0.1
1
10
100
1000
Frequency[KHz]
10000
100000
RLC直列モデル→ESRが周波数によらず一定
実際は変化する
0.001
1
10
100
1000
周波数　[kHz]
10000
100000
コンデンサの材料、構造、形状でRLCが異なる
コンデンサの種類によって特性が異なる
特にＥＳＲ
積層コンデンサの信頼性
１．回路使用条件比較
アルミ電解コンデンサ
《リード付》
電解コンデンサとは
極性
積層コンデンサ
ディレー
ティング
無し
◎
リプル
電流制限
◎
半田
耐熱性
◎
対溶剤性
負荷試験
Al
foil
Al foil
◎
◎
Al
foil
電解紙
誘電体
（Al2 O3 )
《面実装》
タンタル電解
有り
×
△
×
△
La
有り
×
*ﾚｲｱｳﾄ時の考慮 *定格電圧の
70～50％程度
実用上の問題点 *実装時の管理での使用制限
×
△
*対ﾘﾌﾟﾙ制限を
*ﾘﾌﾛｰ半田付
考慮し余分な
の制限と
容量の設定
劣化の促進
*自己発熱による
*逆電圧への配慮
×
Da
Dk
Ca
Ck
Ra
Rk
Da,Dk;陽極、陰極の酸化皮膜による整流作用
△
La,Lk:＋,－リードのインダクタンス
R ;電解紙と電解液の抵抗
Ra,Rk;陽極、陰極酸化皮膜の順方向内部抵抗
*ｱﾙﾐ電解
電解液の損失等
積層ｺﾝﾃﾞﾝｻ
による容量抜け
*ﾀﾝﾀﾙ電解
以外は必ず
Agの拡散、絶縁層
溶液等の進入発生
の劣化によるｼｮｰﾄ
６
*ﾓﾉﾘｼｯｸ形の
タンタル電解コンデンサ
《リード付》
信頼性の低下
誘電体
（Ta2O５）
セラミックコンデンサ
タンタル
《面実装》
MnO2
ｸﾞﾗﾌｧｲﾄ
銀ﾍﾟｰｽﾄ
ハンダ
Da
La
誘電体：チタン酸
バリウム
Lx
Ca,Ck;陽極､陰極の静電容量
ヨコ型
アルミ電解
電解液
タテ型
×
Al foil
電解紙
Ca
Lx
Ra
破壊電圧(V)
500
ｺﾝﾃﾞﾝｻ別　破壊電圧ﾚﾍﾞﾙ比較　定格１０Ｖ品
積層ｺﾝﾃﾞﾝｻ
400
300
200
100
ﾀﾝﾀﾙｺﾝﾃﾞﾝｻ
0
正方向
電極：Ni
逆方向
１０uF
212F475
4.7uF
316Ｆ１０６
１０uF
212ＢＪ１０５
１uF
316ＢＪ２２５
2.2uF
各種コンデンサの特性比較
○周波数特性
100
Ta　47μF　ESR
Ta　47μF　Z
NEO 47μF　ESR
NEO 47μF　Z
SPCAP 47μF ESR
SPCAP 47μF Z
MLCC47μF　ESR
JM432BJ476MM　ESR
MLCC47μF　Z
JM432BJ476MM　Z
SDK47μF　ESR
SDK47μF　Z
インピーダンス・ESR　[Ω]
10
1
ESRが種類により大きく異なる
Al＞Ta＞機能性Ta＞機能性Al＞積層
0.1
低ESRであるほど高周波の
インピーダンスが低くなる
0.01
Al＞Ta＞機能性Ta＞機能性Al＞積層
0.001
1
10
100
1000
周波数　[kHz]
10000
100000
積層コンデンサはインピーダンス、ESRの周波数特性が非常に優れている
大きなメリット
各種コンデンサの特性比較
○リップル電流特性
○各種コンデンサのリップル電流特性
リップル電流対部品温度上昇の比較
Temperature rise characteristic due to ripple current
100
抵抗に電流が流れると熱が発生する
コンデンサ
熱
リップル電流
ESR
Temperature rise (degree)
熱
積層コン４７μF
M LCC47uF
Tant.Cap47uF
タンタル４７μF
POSCAP100uF
POSCAP１００μF
10
1
0.1
0
ESL
容量
コンデンサにリップル電流
（交流電流）が流れると発熱する
（直流電流はほとんど流れない）
熱はコンデンサの寿命を縮める
0.5
1
1.5
2
2.5
3
リップル電流（Aｒｍｓ）
Ripple
current(Arms)
3.5
4
同じ発熱量に対して積層コンは低ESRなので
多くのリップル電流を流すことが出来る
・積層は発熱10℃以内での使用（太陽推奨）
積層コンは許容リップル電流の規定はない
・電解は発熱5℃以内での使用（カタログ規定）
電解コンの許容リップル電流は各社で規定
回路に関する知識
バイパス（デカップリング）コンデンサの働き
○バイパスコンデンサの役割
ノイズ＋負荷電流
電源ライン
○バイパスコンデンサに必要な特性
負荷電流
ノイズ電流
インピーダンス（電流の流れにくさ）が低い
IC
電流がよく流れる
ラインのノイズを
グランドに落とす
ノイズ電流を効率よくグランドに落とすことが出来る
ノイズ低減効果が大きい
○バイパスコンの動作原理
・直流電流は流さない（インピーダンス無限大）
直流電流はすべてICに供給
ノイズ電流：大
ノイズ電流：小
低インピーダンス
高インピーダンス
・交流（ノイズ）は流す
交流電流（ノイズ）はグランドへ流れる
ノイズ除去→ICの安定動作
インピーダンス
小
大
ノイズ低減効果
効果大
効果小
バイパス（デカップリング）コンデンサの働き
○コンデンサの選択基準
○バイパスコンにおけるＴａ置換
品名を
MLCC+容量表記
に変更
10
Impedance,ESR Freq.-Temperature Characteristic
Impedance,ESR[Ω]
R
Z
Impedance(Ω）
ノイズ除去効果上がる
100
10
ノイズ除去効果下がる
1
インピーダンスの比較
100
1000
タンタル１０ μF
タンタル４７ μF
LMK212F475ZG
LMK316F106ZL
LMK212BJ225KG
EMK325BJ106KN
1
0.1
0.01
0.001
10
0.1
ノイズ除去効果最大
0.1
1
10
100
1000
Frequency[KHz]
10000
1000
Frequency(kHz
10000
100000
10kHzから100kHz以上では積層コンの
インピーダンスは非常に小さい
0.01
0.001
100
100000
ノイズ電流の周波数は様々
除去したいノイズの周波数によって容量を選択
積層コンデンサは高周波ノイズの
低減効果がTaコンより優れている
Taコンより小さな容量で
積層コンデンサに置換が可能
バックアップコンデンサの働き
○高速負荷変動時の電源ライン
○ICへの負荷電流
ICへの負荷電流は一定ではない
IC
低速動作時
負荷電流：大
IC
ライン電圧が維持できなくなる
電圧がドロップする
急激にICの速度が変わる（低速→高速）と
急激に大きな負荷電流が必要になる
負荷電流
IC
ライン電圧
IC
高速動作時
○高速負荷変動
低速動作
ライン電圧
電流がすぐに来ない
高速動作
電圧降下
ライン電圧
IC
ライン電圧、負荷電流
負荷電流：小
急激に大きな負荷電流が必要
低速動作
高速動作
ICの最低
動作電圧
時間
ライン電圧がICの最低動作電圧を下回る
時間
ICの動作が停止する
バックアップコンデンサの働き
○バックアップコンデンサの役割
○実際のコンデンサの動作（等価回路で考察）
（簡略化のためESLは考慮しない）
電圧降下
IC
ライン電圧を
コンデンサ放電電流
低速動作
ESR
電流が流れて
電圧降下が発生
容量
放電により
電圧降下が発生
IC
維持
ライン電圧
ライン電圧、必要負荷電流、
不足した電流を補う
高速動作
ライン電圧降下
・充電時にも電圧変動が起こる
ICの最低
動作電圧
ESRによる降下
ライン電圧
電流がすぐに来ない
放電に
よる降下
充電による上昇
ESRによる上昇
時間
IC最低動作電圧を下回らない
安定動作
容量とESRで電圧降下量が決まる
バックアップコンデンサの働き
ＥＳＲと容量の影響
オシロスコープへ
試験回路
負荷抵抗
R＝５Ω
R＝１Ω
LMK432BJ226MMのリップル電圧
タンタル１００μFのリップル電圧
ESR による電圧変動
電流
プローブ
評価
コンデンサ
パルスジェネレータ
１９４５（NF）
２０ｍV／Div
2SK2684
２０ｍV／Div
電源電圧
＝５V
容量による電圧変動
積層コンデンサ
４７μF＊７
スイッチング周波数＝１００ＫＨｚ
１μS／Div
ＥＳＲの比較
１μS／Div
ＥＳＲの比較
10
積層コン２２μＦ
タンタル１００μＦ
ＥＳＲ（Ω）
1
高容量
低ESR
ライン変動幅が小さくなる
0.1
積層コンのメリット
0.01
Taコンデンサよりも小さな容量で
0.001
0.1
1
10
100
周波数（ＫＨｚ）
1000
10000
100000
Taコンデンサと同等以上の電圧変動抑制効果
アプリケーション例　－　バックアップ３
22uF
LMK432BJ226MM(積層コンデンサ２２μF）
タンタルコンデンサ１０μF
２．５μS／Div
OSコン１０μF
２．５μS／Div
5０ｍV／Div
OSコン４７μF
OS-CON 22uF
OSコン１００μF
OS-CON 47uF
５０ｍV／Div
２．５μS／Div
タンタルコンデンサ１００μF
２．５μS／Div
OSコン２２μF
５０ｍV／Div
２．５μS／Div
２．５μS／Div
タンタルコンデンサ４７μF
２．５μS／Div
OS-CON 10uF
５０ｍV／Div
OSOS-CON
JMK550BJ107MM(100uF)
２．５μS／Div
タンタルコンデンサ２２μF
５０ｍV／Div
5０ｍV／Div
タンタル
JMK550BJ107MM（積層コンデンサ１００μF）
JMK432BJ476MM(47uF)
２．５μS／Div
２．５μS／Div
JMK432BJ476MM（積層コンデンサ４７μF）
５０ｍV／Div
5０ｍV／Div
５０ｍV／Div
JMK325BJ226MM(22uF)
５０ｍV／Div
JMK316BJ106ML(10uF)
100uF
５０ｍV／Div
MLCCLMK325BJ106MN（積層コンデンサ１０μF）
47uF
OS-CON 100uF
５０ｍV／Div
10uF
２．５μS／Div
２．５μS／Div
電源回路に関する知識
シリーズレギュレータ（３端子レギュレータ）
○負荷電流変動時
入力電圧を下げて一定の
出力電圧を出力する
負荷電流
制御素子（トランジスタ）
入力電圧
出力電圧
入力電圧
制御素子（トランジスタ）
出力電圧
○回路の動作（水のモデル）
負荷電流
水位を一定に保つように
水門を制御
制御素子で負荷電流を制御
降圧型電源
出力電圧を一定に保つ
シリーズレギュレータ（３端子レギュレータ）
○回路の構成
入力電圧　＞　出力電圧
○入力コンの効果
入力電圧にわざと交流分を加えて
入力コン有無の際の入力電圧を測定
レギュレータ
IC
入力コン
IC
出力コン
IC
IC、入力コン、出力コンで構成
○入力コンの働き
負荷電流
ノイズ電流
ラインのノイズを
グランドに落とす
コンデンサなし
IC
入力電圧　Vin
ノイズ＋負荷電流
コンデンサあり(MLCC)
2000
2000
1000
1000
0
0
-1000
-1000
-2000
-2000
-1
0
1
-1
0
縦軸：mV、横軸：μsec
バイパスコンと同じ働き
入力コンの挿入により入力電圧安定
1
シリーズレギュレータ（３端子レギュレータ）
○出力コンの効果
○出力コンの働き
出力コンの有無で負荷変動時の電圧変動を測定
不足した電流を補う
200
負荷電流　Iout
電流をすぐに
供給出来ない
電圧降下
IC
IC
ライン電圧
ライン
150
100
50
0
-10
電圧を維持
-5
0
IC
急激な負荷変動に対して電流を
バックアップコンと同様の働き
10
IC
コンデンサあり(MLCC)
コンデンサなし
出力変動　ΔVout
供給して電圧変動を抑える
5
1000
1000
0
0
-1000
-1000
-2000
-2000
-2
-1
0
1
2
-10
-5
0
5
出力コンの挿入により出力電圧安定
10
ステップダウン（降圧型）コンバータ
スイッチング電源の制御素子は
ONかOFFのどちらかのみ
○回路の動作（水のモデル）
制御素子を制御することで入力電圧を
スイッチ動作
下げて電圧を出力する
スイッチの開閉動作で出力電圧を制御
ONする周期　→　一定
出力電圧
入力電圧
制御素子（トランジスタ）
PWM方式
ONしている時間　→　変化
負荷電流
ONする周期　→　一定
PFM方式
ONしている時間　→　一定
制御素子（トランジスタ）
制御
出力電圧
入力電圧
スイッチをＯＮする周期　→スイッチング周波数
負荷電流
ON
制御
ON
PWM
ON
時間
ON
ON
PFM
ON
時間
ステップダウン（降圧型）コンバータ
○入力コンの動作
○回路の構成
チョークコイル
リップル電流が
リップル電流
入力コンに流れる
FET1
コントロール
IC
熱
熱
FET2
FET
（２個）
ESRにより発熱
○入力コンの必要な特性
入力コン
大きな許容リップル電流
出力コン
例：部品の許容リップル電流が1A（回路のリップル6A）
入力電流
○入力側の電流
リップル電流：6A
６個
1A
FET1
FET1
FET1
ON
ON
ON
1A
1A
1A
1A
1A
削減
例：コンデンサの許容リップル電流が2A
時間
リップル電流：6A
３個
交流分を含んだ電流（リップル電流）が大きく流れる
2A
2A
2A
@EDGB<KN&O?KFMA
(
'4
(
4
CHM=?;J
$"128IC4'4':!
LIDGJ'3.)/
'
'
'
?K
'
ON
ON
ON
'
'
IDGJ'4:
#3-8
L$"3.)/
%
@;DCK>367
'+ 328
%
'
CHM=?;J1
?K0,98
'
IDGJ'+598
$"368
'&:*8
ステップダウン（降圧型）コンバータ
○負荷急変による電圧降下を決める要因
○リップル電圧を決める要因
スイッチON、ＯＦＦの繰り返し
負荷急変時の動作
出力コンは充放電が繰り返される
電流の出入りにより電圧が変動
バックアップコンと同じ
リップル電圧
○負荷急変のコンデンサに必要な特性
充電時
・大容量
放電時
充電電流
→高い電荷供給の能力
ESR
・低ESR
電圧上昇
放電電流
繰り返し
ESR
充電
→電荷供給時の電圧降下を小さくする
容量
容量
電圧上昇
大容量積層セラミックコンデンサ
大容量・低ESRがリップル電圧を低減
適している
電圧降下
放電
電圧降下
チャージポンプ（昇圧型）
○チャージポンプの動作（イメージ）
○チャージポンプの回路構成（例：２倍昇圧）
２つのコンデンサを別々に充電
充電
In
入力コン
V
C1
Out
充電
V
V
C2
IC
出力コン
V
充電用のコンデンサ
出力コン（平滑コン）
C1
○コンデンサに求められる特性
V
接続
2V
C2
負荷
V
充電されたコンデンサを接続
充電用と出力コン
充放電による電圧変動を下げる
バックアップコン、
ステップダウンの出力コンと同じ
入力の２倍の電圧が出力
出力コンで平滑（スイッチング→２倍出力が途切れ途切れ）
大容量、低ESRが必要
接続するコンデンサの数で出力電圧が決定（整数倍）
まとめ入力コンとしての各種コンデンサ比較
縦軸　mV、横軸μsec
コンデンサ未挿入
○入力ラインに正弦波を加えて入力コンのノイズ吸収性と
そのノイズに対する出力電圧変動を確認
2000
Regulator
Vs
7.5V
Z2
ΔVin
IC
100
0
0
-1 0 0 0
-50
-2 0 0 0
ΔVout
出力変動　ΔVout
50
1000
Z1
Vs:1Vrms
入力変動　ΔVin
-100
-1
0
1
-1
0
1
1Vrmsの入力変動　→　35Vrmsの出力変動
入力コンを挿入
使用IC：NJM78L05(JRC)
使用コンデンサ：　LMK212BJ105KG、Ta１μF、Al１μF
Z2
Δ Vin =
Vs
Z1 + Z 2
入力コンデンサ挿入時の入力変動　ΔVin
Al電解1μＦ
500
（Z1:ラインインピーダンス）
コンデンサ（Z2)が低インピーダンス
縦軸　mV、横軸μsec
Ｔａ電解1μＦ
500
250
250
0
0
0
-250
-250
-250
-500
250
-500
-1
0
-500
-1
1
積層1μＦ
500
0
1
-1
→ノイズ除去効果：大
0
1
積層コンのノイズ吸収性が優れている（低インピーダンス)
IC入力電圧安定
縦軸　mV、横軸μsec
各種コンデンサ周波数特性（ 1 μ F)
入力コンデンサ挿入時の出力変動　ΔVout
10000
Z・ESR　[Ω]
1000
Al電解1μＦ
20
Ｔａ電解1μＦ
20
100
10
10
10
10
0
0
0
-10
-10
- 10
ML　R
ML　Z
Ta　R
Ta　Z
Al　R
Al　Z
1
0 .1
0 .0 1
-20
- 20
-20
-1
0
1
積層1μＦ
20
-1
0
1
-1
0
IC入力電圧が安定するため出力変動が小さくなる
0 .0 0 1
1
10
100
1000
Fre q.　[kHz]
10000
100000
積層コンは広範囲にわたってTaより低インピーダンス
入力コンには積層セラミックコンデンサが適している
1
まとめ出力コンの動作解析
出力電圧変動
Iout
Regulator
IC
Vout
負荷電流　Iout　mA
200
出力電圧変動の観測
150
100
50
0
-10
-5
0
5
時間　μsec
波形観測：Iout、Vout
（出力コンの種類別に観測)
使用IC：R1112N331B（リコー）
入力コン：LMK212BJ225KG
入力電圧：5V
スイッチング周波数：100Hz
負荷電流：150mA
Taコンと積層コンのESR-周波数特性比較
1000
JMK212BJ475KG
Ta4.7μF
ESR　[Ω]
100
10
出力電圧変動　ΔV　mV
負荷電流波形
2000
未挿入
Ta　4 .7 μ F
JM K 2 1 2 B 4 7 5 K G
0
-2000
-4000
-10
-5
0
5
時間　μsec
出力電圧変動　Δ V
Ta 4.7 μ F
JMK212BJ475KG
50
50
0
0
-50
-50
-100
-100
-150
-150
-10
-5
0
5
ESR の変動分：大
ESR：大
10
-10
-5
0
5
10
ESR の変動分：小
ESR：小
縦軸：mV、横軸：μsec
10
1
ESRが小さい出力コンを用いると負荷変動時の
出力電圧ドロップが小さく押さえられる。
0.1
0.01
0.001
1
10
100
1000
Freq.　[kHz]
10000 100000
10
出力コンにはESRの低い積層セラミックコンデンサが有利
積層商品群の開発方向とご提案
市場の要求
回路区分
ｺﾝﾃﾞﾝｻ用途区分
求められる性能
インピーダンス,ESR特性に重点
回路のﾉｲｽﾞ対策に代表される用途で
ﾃﾞｼﾞﾀﾙ回路に非常に多く使用されている。
低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ,低ESR特性が重要
0.1～10uFの積層Ｆ特性ｺﾝﾃﾞﾝｻが最適。
ﾃﾞｼﾞﾀﾙ回路
ﾃﾞｶｯﾌﾟﾘﾝｸﾞ用途
ｱﾅﾛｸﾞ回路
ﾊﾞｯｸｱｯﾌﾟ用途
平滑用途
増幅回路
演算回路
発振回路
変復調回路
ﾃﾞｼﾞﾀﾙ回路
電源回路
ﾛｼﾞｯｸ回路
高周波回路
電源回路
音声回路
その他回路
高耐圧用途
ﾌｨﾙﾀ用途
ｶｯﾌﾟﾘﾝｸﾞ用途
時定数、共振用途
実効容量や温度,ﾊﾞｲｱｽ安定性に重点
CPUに代表される負荷変動の大きい回路で、
電源の安定、ICの保護などで用途が拡大。
低ESR,低ESL,低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ特性が重要
1～10uFの積層のＦ、Ｂ特性が最適。
電源回路の入出力に使用される用途で、
機器の小型化に伴い、採用が急激に拡大。
実効容量,低ESR,低ESL,低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ特性
に加え、定格電圧、信頼性が重要
1～数10uFの積層のＢ特性が最適。
増幅、発振、変復調回路やﾌｨﾙﾀ回路で、
容量の温度、ﾊﾞｲｱｽ安定性が重要
積層の温度補償用ｺﾝﾃﾞﾝｻが最適。
（ＣＦCAP、ＴＣ系積層）
バイパスコンデンサにおける御提案
大容量Ta　or　Al電解＋積層0.1μF　置換提案
電解コン22μF＋積層0.1μFのインピーダンス特性
よく行われる事例
タンタル
or
電解
積層0.1μF
インピーダンス　[Ω]
10000
電解コン22μＦ＋積層0.1μＦ
電解コン22μＦ
積層0.1μＦ
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
1
10
100
1000
10000
周波数　[ＫＨｚ]
100000
高周波のインピーダンスが下がる　→　高周波特性向上
大容量積層コンデンサのインピーダンス特性
大容量積層コン１個で置換
大容量積層
コンデンサ
インピーダンス　[Ω]
10000
電解コン２２μＦ＋積層０．１μＦ
積層コンＦ特４．７μＦ
積層コンF特１０μF
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
セラミックコンデンサ１個で置換が可能
1
10
100
1000
10000 100000
周波数　[ＫＨｚ]
並列使用の場合より低インピーダンス領域が広範囲
インダクタの“いろは”
インダクタとコンデンサのインピーダンス“誘導性リアクタンスと容量性リアクタンス”
●オームの法則：　（交流電圧）＝（インピーダンス）×（交流電流）
●純粋なインダクタのインピーダンス：誘導性リアクタンス：周波数とともに増加。
交流電源
周波数：ｆ
電圧振幅：Ｖ0
Ｖ＝V0・exp(jωｔ)
電圧、電流とインダクタンスの関係式
を解くと、純粋なインダクタのインピー
ダンスは、周波数とインダクタンスに
比例することが求められる。
Ｖ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ
これを解くとＶ0＝ｊ２πｆ・Ｌ
インピーダンスは、Ｚ＝ＸL＝２πｆ・Ｌ
インダクタンス
大
インダクタンス
中
インピーダンス
インダクタンス：Ｌ
インダクタンス
小
周波数
周波数：ｆ
電圧振幅：Ｖ0
Ｖ＝V0・exp(jωｔ)
交流電源
静電容量：Ｃ
電圧、電流と静電容量の関係式を解くと、
純粋なコンデンサのインピーダンスは、
周波数と静電容量に反比例することが
求められる。
Ｖ＝１／Ｃ・∫ｉｄｔ
これを解くとＶ0＝１／(ｊ２πｆ・Ｃ)
インピーダンスは、Ｚ＝Ｘc＝１／(２πｆ・Ｃ)
インピーダンス
●純粋なコンデンサのインピーダンス：容量性リアクタンス：周波数とともに減少。
静電容量
中
静電容量
大
周波数
静電容量
小
インダクタとコンデンサの利用　“ローパスフィルタとハイパスフィルタ”
●インダクタのインピーダンス：周波数が上がると上がる。
●コンデンサのインピーダンス：周波数が上がると下がる。
●ローパスフィルタと特性例
●ハイパスフィルタと特性例
ＯＵＴ
ＩＮ
周波数が低いとき
インダクタ低Ｚ
:ＧＮＤに落ちる
コンデンサ高Ｚ
：とおせんぼ
周波数が低いとき
インダクタ低Ｚ:通過
コンデンサ高Ｚ
：ＧＮＤに落ちずに
通過
周波数
ＧＮＤ
周波数が高いとき
インダクタ高Ｚ
:ＧＮＤにおちずに
通過
コンデンサ低Ｚ
：通過
Ｇａｉｎ
Gain
ＧＮＤ
周波数が高いとき
インダクタ高Ｚ
:とおせんぼ
コンデンサ低Ｚ
：ＧＮＤに落ちる
ＯＵＴ
ＩＮ
周波数
インダクタとコンデンサの“直列回路・直列共振と並列回路・並列共振”
●インダクタのインピーダンス：周波数が上がると上がる。
●コンデンサのインピーダンス：周波数が上がると下がる。
●純粋なインダクタとコンデンサ
●純粋なインダクタとコンデンサ
の直列回路：直列共振
の並列回路：並列共振
直列
：基本的には
足し算
切り替わり
（共振周波数）
では、ゼロ
直列回路の
インピーダンス
インダクタの
インピーダンス
周波数
並列回路の
インピーダンス
コンデンサの
インピーダンス
インピーダンス
インピーダンス
コンデンサの
インピーダンス
並列
：基本的には
低い方を流れる
インダクタの
インピーダンス
切り替わり
（共振周波数）
では、無限大
周波数
インダクタとコンデンサの利用“バンドパスフィルタとトラップフィルタ”
●直列回路のインピーダンス　：共振周波数で最小。
●並列回路のインピーダンス　：共振周波数で最大。
●トラップフィルタと特性例
●バンドパスフィルタと特性例
ＯＵＴ
ＩＮ
直列：共振周波
数で低Ｚ：ＧＮＤ
に落ちる
並列：共振周波数
で高Ｚ：ＧＮＤに落ち
ずに通過
ＧＮＤ
Gain
Gain
ＧＮＤ
ＯＵＴ
ＩＮ
周波数
周波数
インダクタの実特性　“自己共振特性”
●実在インダクタのインピーダンス特性例
●積層インダクタ
ＬＣＲ並列接続回路のインピーダンス特性に類似
例えば、内部電極と外部
電極との間に浮遊容量
が存在する。
インピーダンス
●巻線インダクタ
周波数
例えば、折り返して巻かれ
た線と線の間に浮遊容量
が存在する。
低周波側ではインダクタ
高周波側ではコンデンサ
共振点では有限の抵抗値
インダクタの自己共振特性の利用例“ローパスフィルタでのトラップ形成”
●ローパスフィルタ例
ある周波数で
鋭いピークをもつ特性
インダクタ：Ｂ　インピーダンス特性
インピーダンス
ＧＮＤ
インピーダンス
ＯＵＴ
ＩＮ
インダクタ：Ａ　インピーダンス特性
周波数
純粋なインダクタでの
フィルタ特性
インダクタンスは同じだが
Ｚのピークが低い特性
周波数
インダクタＡ使用時
インダクタＢ使用時
周波数
鋭いピーク
を利用して
トラップ形成
周波数
Ｇａｉｎ
Gain
Gain
トラップ
がない
透過特性も
変形
周波数
フィルタ回路では、インダクタの自己共振特性を積極的に利用している場合があり、代替品提案や
ダウンサイズ化に際してはこれにも注意が必要。
インダクタの実特性　“損失成分とＱ特性”
●積層インダクタ
●巻線インダクタ
●インダクタのＱ値
純粋なインダクタのインピーダンス
：誘導性リアクタンス
抵抗成分
（損失の総和）
Ｒ
コア材料のシートに
導電体を印刷して積層
コアに
導電線を巻く
コア材料では、
ヒステリシス損失、渦電流損失、誘電体損失など
導電体（導線）では、
直流抵抗、表皮効果による高周波での抵抗損失
などが実在する。
損失が小さいほど純粋なインダクタに近い。
Ｑ＝
ＸL
誘導性リアクタンス
抵抗成分
インダクタのＱは、
純粋なインダクタへの近さを
示す値。
Ｑが大きいほど、回路上では
純粋なインダクタとして機能
する。
インダクタのＱ特性とフィルタ特性“Ｑ特性差がトラップフィルタ特性に与える影響例”
●トラップフィルタ例
インダクタとコンデンサの直列共振
インダクタ：Ａ　Ｑ特性
インダクタ：Ｂ　Ｑ特性
Q
Q
ＯＵＴ
ＩＮ
Ｑが低い
ＧＮＤ
純粋なインダクタでの
フィルタ特性例
インダクタＢ使用時
Ｇａｉｎ
インダクタＡ使用時
Gain
Gain
周波数
周波数
トラップ
が弱い
周波数
周波数
周波数
コンデンサとの共振回路を組む場合、一般にインダクタのＱ特性が与える影響は大きい。
インダクタのＱ特性とマッチング特性“Ｑ特性差がマッチング特性に与える影響例”
●マッチング回路例
Ｑ
純粋なインダクタでの
マッチング設計例
最後にインダクタで規格Ｚ
（チャートの中心）にマッチング
インダクタ：Ｂ　Ｑ特性
Ｑ
インダクタ：Ａ　Ｑ特性
アンプとアンテナのマッチング
周波数
Ｑが低い
周波数
インダクタＡ使用時
インダクタＢ使用時
ほぼ設計どおり
チャートの中心
からズレている
アンプの特性
：スタート地点
マッチング回路においては、一般にインダクタのＱ特性が与える影響は大きい。
みちくさ　“インダクタのＱとコンデンサのｔａｎδ”
●インダクタのＱ値
●コンデンサのｔａｎδ値
インダクタには損失がある。
コンデンサにも損失が実在する。
純粋なコンデンサのインピーダンス
：容量性リアクタンス
純粋なインダクタのインピーダンス
：誘導性リアクタンス
抵抗成分
（損失の総和）
抵抗成分
（損失の総和）
Ｒ
Ｑ＝
Ｒ
ＸL
抵抗成分
誘導性リアクタンス
抵抗成分
インダクタのＱは、
純粋なインダクタへの近さを示す値。
Ｑが大きいほど、回路上では純粋な
インダクタとして機能する。
Ｘｃ
tanδ
＝
容量性リアクタンス
コンデンサのｔａｎδは、
純粋なコンデンサへの遠さを示す値。
tanδが小さいほど、回路上では純粋
なコンデンサとして機能する。
インダクタの実特性“直流重畳特性・磁気飽和特性”
直流重畳に
強い特性例
直流重畳に
弱い特性例
周波数
インピーダンス
インダクタンス
コアが例えば磁性体の場合、磁気飽和
特性があるのでＤＣバイアス電流を大きく
するとインダクタンスは低下する。
●インピーダンス特性例
インピーダンス
●インダクタの直流重畳特性例
バイアス電流
周波数
磁気飽和が生じてイ
ンダクタンスが低下
するとインピーダン
スも低下する。
直流重畳に強いイン
ダクタは高いインピー
ダンスを維持する。
弱いものは、大きく
低下する。
使用条件下で要求
されるインダクタンス
やインピーダンスが
維持または残ってい
る製品が一般には
選択されやすい。
電源チョーク用途でのインダクタ直流重畳特性の影響例
●電源チョーク回路例
インダクタ：Ｂ　インピーダンス特性
ｱｯﾌﾟ
ｲﾝﾀﾞｸﾀ：
ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽで
ﾌﾞﾛｯｸ　ﾊﾞｲﾊﾟｽ改善
直流重畳に強く
高いインピーダ
ンス維持。
周波数
コンデンサのみでの　バイパス特性例
インピーダンス
ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ
ON･OFF　ノイズ
負荷変動
IC
インダクタ：Ａ　インピーダンス特性
高周波で
インピーダンス
ｺﾝﾃﾞﾝｻ：GND
へﾊﾞｲﾊﾟｽ
直流に弱くインピー
ダンス低下。
周波数
インダクタＡ使用時
インダクタＢ使用時
高周波側の
バイパス特性
を改善。
バイパス特性
が劣る。
電源チョーク用途では、インピーダンス特性をバイパス回路の形成に利用する。直流重畳によってそれは
劣化するため使用条件下で要求値が残っているかを自己共振特性と合わせ注意する。
スイッチング電源回路用途でのインダクタ直流重畳特性の影響例
●昇圧電源回路例
ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ:L
●直流重畳特性とＩｓとの一般的関係
インダクタンス
ＤＣ出力
Vout
ＤＣ入力
Ｖin
Is
Vs
スイッチングＩＣのＶsがＯＮになっている間　ＩＣにＩｓが流れ
てインダクタで昇圧。ＯＦＦになったときそれが入力に足さ
れ出力へアップコンバートされる。
バイアス電流
ＩＣ
破損
電流はＯＮ時間とともに上昇、インダクタンスが小さいと急
上昇。時間内で許容電流を超えないようインダクタを選定。
Ｉs 及び Vs
Vs：ＯＮ
ＯＦＦ
ＯＮ
ＯＦＦ
ＯＮ
ＩＣを流れる電流：Ｉｓ
ＶｓがONするとＶin＝Ｌ・ｄＩs／ｄｔ　これを解くとＩs＝Ｖin／Ｌ・ｔ
電流が増えてイン
ダクタンスが小さく
なると、もっと電流
が流れてインダクタ
ンスはどんどん小
さくなって、ついに
は許容電流を超え
て最悪破損・・・・・
インダクタンスが絶
対に不変である必
要はないが設計上
の要求値がある。
時間
Is
時間とともに上昇。
Ｌが小さいと上昇も速い。
時間
電源ＩＣが高周波化するとスイッチ時間が短くなるの
で大きなインダクタンスは不要になる。また必ずしも
まったいらな直流重畳特性が万能なわけではない。
ＩＣと電源の設計に合わせた特性が要求される。
みちくさ　“コンデンサの充電、放電”
●コンデンサの充電
電荷増加
＋Ｑ
電圧上昇
－Ｑ
電流
コンデンサ
電池
●コンデンサの放電
電荷減少＋Ｑ
電圧降下－Ｑ
電流
コンデンサ
電流は電荷量の時間的変化
－ｉ＝ｄＱ／ｄｔ
静電容量は電荷量と電圧の比例定数
Ｑ＝Ｃ・Ｖ
電圧、電流と静電容量の関係
－Ｖ＝１／Ｃ・∫ｉｄｔまたは－ｉ＝Ｃ・ｄＶ／ｄｔ
（インダクタの相当関係式は－Ｖ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）
コンデンサの両端に電圧をかけると電荷が
蓄積される。一方、電荷が蓄積されたコンデンサ
の両端を短絡すると放電される。
電荷の量は、電圧に比例する。
（インダクタの場合は、電流で磁束発生。磁束の
量は電流に比例。）
コンデンサの静電容量は、電荷量と電圧の
比例定数。（インダクタの場合は、インダクタンス
は磁束と電流の比例定数。）
充電時や放電時の電流は、電荷量の時間的
変化である。（インダクタの場合は、電圧が磁
束の時間的変化。）
EMCの“いろは”
主なノイズの種類
内容
対策部品
輻射ノイズ
電磁波として外に漏れるもの。発生源は信号ラインや
電源ライン。各国で規制値あり（VCCI, FCC, CISPR,
EN など）。
主に積層ハイロスインダクタ・BK（積
層フェライトビーズ）、角チップビーズ
インダクタ・FBMのフェライト商品。抵
抗やコンデンサでも対策可能。
伝導ノイズ
DC電源ラインを伝わってくるもの。発生源はDC/DC
電源など。スイッチングノイズなどが伝わってくる。
DC/DCなどでは、SMDインダクタ・NP、
巻線チップインダクタ・LBなどのフェラ
イト製品とコンデンサが中心。
リップル
電圧（電流）
IC駆動時に発生する電圧降下による変動。CPUなど
の消費電力の大きい電源ラインで問題となる。
主にコンデンサ。
静電気
摩擦による帯電などによっておこる放電現象。素子の
破壊や誤動作の原因になる。
主にチップバリスタやダイオード。コン
デンサやビーズも可。
瞬間的に起こる高電圧・高電流。雷などの自然現象
から、ケーブルの抜き差しによるものなど。
スパークギャップやバリスタ。電圧の
低いものはビーズ・抵抗など。
（雑音端子電圧は除く）
サージノイズ
')
9CISPR
9VCCI class278
.24/9FCC part15
365019EN55022
$))!9CISPR-(-#%",
VCCI&*30:1000MHz+&)
- $)*
高周波帯のEMI規制例（GHz帯のﾉｲｽﾞ規制強化）
１．ＣＩＳＰＲ１１　グループ２　ＣｌａｓｓＢ　(1999　工業、化学、医療用）
内蔵周波数４００ＭＨｚ以上の機器対象
規制周波数：１～２．４ＧＨz帯　規格値：７０ｄＢμＶ/ｍ以下（３ｍ電界強度）
２．ＣＩＳＰＲ２２　ＣＩＳ/Ｇ/210/CD　（2001　ＩＴ機器)
内蔵周波数２００ＭＨｚ以上の機器対象
規制周波数：１～２．７ＧＨz帯　規格値：平均５０ｄＢμＶ/ｍ以下、最大７０ｄＢμＶ/ｍ以下（３ｍ電界強度）
３．ＦＣＣ　Ｐａｒｔ１５　（ＩＴ機器)　１０８～５００ＭＨｚ動作では、２ＧＨzまで測定必要　５００～１０００ＭＨｚ動作では、５ＧＨzまで測定必要　輻射ノイズのメカニズム1
スペクトラム
デジタル波形
測定器：スペクトラムアナライザー
測定器：オシロスコープ
（ノ
電イ
圧ズ
・
電
流
）
フーリエ変換
電
圧
（
電
流
）
時間軸から周波数軸への変換
時間
ノイズ規格はアンテナ受信
したこれを規制している
周波数
デジタル波形は色々な周波数の集まり
電
圧
（
電
流
）
スペアナ
周波数
シ
オ
ロ
時間
輻射ノイズのメカニズム2
電界
直流だけでは磁束のみ発生
電流
交流では磁界と電界が発生
電流
磁束
電圧
電圧
電界
磁界
電流
電流
0V
0V
磁界
0A
0A
デジタル波形から輻射される
ノイズ
クロック
ノイズ
デジタル信号
Vcc
高調波の漏れ
IC
・
・
・
IC
Vcc
輻射ノイズのメカニズム3
磁界
磁界
電界
磁界
磁界
電界
電界
アンテナ
電界
交流信号源
・近傍界では磁界が支配的
・遠方界では電界が支配的
輻射電界測定（オープンサイト・電波暗室）
スペクトラム・
アナライザ
アンテナ
直接波
EUT
反射波
ノイズ規格はここで受信し
た値を規制している
スペクトラム・
アナライザ
輻射ノイズのメカニズム４
リンギング発生
電
圧
電
圧
波形が乱れるとスペ
クトラムも変わる。
時間
時間
レベルも変わる
ノ
イ
ズ
ノ
イ
ズ
周波数
周波数
原因：伝送線路のミスマッチング
定在波＝進行波＋反射波
反射波
進行波
伝送線路パターン
定在波の発生により、デジタル
波形を形成している周波数の振
幅が大きくなりノイズの増加につ
ながる。
インピーダンスのミスマッチング
Fin.

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