すべての電解コンデンサをセラミックのものと交換できますか？

複数の電源を必要とするシステムの電源回路を設計していますが、私の質問は次のとおりです。

• すべての電解キャップ（ほとんど100uF）をセラミックキャップに交換することはできますか？セラミックの限界は何ですか？

• セラミックの2倍の電圧定格を使用する必要がありますか？

• リップル電流定格はどうですか？電解のようにセラミックを選択するとき、それは重要な要素ですか？

追加された1/9/2014：セラミックの制限についての詳細

EEVBlogでDaveが提出したこの優れたビデオは、さまざまなタイプのセラミックキャップの制限と、印加電圧とバイアス電圧の影響を示しています。見る価値のある！

100 µFは、実際にセラミックキャップの限界を押し上げています。電圧が数ボルトから10ボルト、または20ボルトと低い場合、複数のセラミックを並列接続するのが妥当です。

高容量のセラミックキャップには、独自の利点と欠点があります。利点は、等価直列抵抗がはるかに低いため、リップル電流能力がはるかに高く、高周波に対する有用性が低く、熱感度が低く、寿命が長く、ほとんどの場合機械的耐久性が高いことです。彼らも自分の問題を抱えています。静電容量は電圧によって大幅に低下する可能性があり、密度の高い（体積あたりのエネルギー蓄積が大きい）セラミックは、「マイクロフォニックス」と呼ばれる圧電効果を示します。間違った状況では、これは振動につながる可能性がありますが、それはまれです。

スイッチング電源アプリケーションの場合、通常、セラミックは電解質よりも優れたトレードオフです。ただし、容量が大きすぎる必要はありません。これは、彼らがより多くのリップル電流と熱をよりよく取ることができるからです。電解質の寿命は熱により大幅に低下しますが、これは多くの場合電源の問題です。

セラミックの寿命はそもそもずっと長く、印加電圧の関数ではないため、電解質ほどセラミックをディレーティングする必要はありません。セラミックで注意すべきことは、密度の高いものが非線形の材料で作られていることです。これは、電圧範囲の上限で容量の減少として現れます。

マイクロフォニックスについて追加：

いくつかの誘電体は、印加電界の関数としてサイズを物理的に変化させます。多くの場合、この効果は非常に小さいため気付かないため無視できます。ただし、一部のセラミックは、結果として生じる振動を最終的に聞くことができるほど強力な効果を示します。通常、コンデンサー自体は聞こえませんが、これらはボードにかなり硬くはんだ付けされているため、コンデンサーの小さな振動により、特にボードの共振周波数で、より大きなボードも振動する可能性があります。結果は非常に聞き取りやすくなります。

もちろん、物理的特性は一般に両方の方法で機能するため、逆も機能しますが、これも例外ではありません。印加電圧によりコンデンサの寸法が変化する可能性があるため、応力を印加して寸法を変更すると、開放電圧が変化する可能性があります。実際には、コンデンサはマイクとして機能します。ボードが受ける機械的振動を拾うことができ、それらがボード上の電気信号に進むことができます。このため、高感度オーディオ回路ではこれらのタイプのコンデンサは使用されません。

この背後にある物理学の詳細については、例としてチタン酸バリウムの特性を調べてください。これは、望ましい電気特性、特にセラミックの範囲と比較してかなり良好なエネルギー密度を持つため、一部のセラミックキャップの一般的な誘電体です。これは、チタン原子が2つのエネルギー状態を切り替えることで実現します。ただし、2つのエネルギー状態の間で原子の有効サイズが異なるため、格子のサイズが変化し、印加電圧の関数として物理的な変形が生じます。

逸話：私は最近この問題に真正面から遭遇しました。モデル列車で使用されるDCC（デジタルコマンドアンドコントロール）電源に接続するギズモを設計しました。DCCは、電力を伝送する方法ですが、軌道上の特定の「車両」にも情報を送信します。最大22 Vの差動電力信号です。情報は、特定のタイミングで極性を反転させることで伝送されます。フリッピングレートは約5〜10 kHzです。電力を得るために、デバイスはこれを全波整流します。私のデバイスは、DCC情報をデコードしようとしていませんでした。少しだけ電力を取得してください。単一のダイオードを使用して、DCCを半波整流して10 µFセラミックキャップに入れました。オフハーフサイクル中のこのキャップの垂下は約3 Vのみでしたが、3 Vppで歌うことができました。回路は完全に機能しましたが、ボード全体が非常に迷惑な泣き声を発しました。それは製品では受け入れられませんでしたが、そのため、製品版では、これは20 µFの電解キャップに変更されました。私はもともとセラミックを使いました。なぜなら、それは安く、小さく、寿命が長いからです。幸いなことに、このデバイスは高温で使用される可能性が低いため、電解キャップの寿命は最悪の場合の定格よりもはるかに優れているはずです。

コメントから、スイッチング電源が時々泣くことがある理由についての議論があります。その一部はセラミックキャップが原因である可能性がありますが、インダクタなどの磁気部品も2つの理由で振動する可能性があります。まず、インダクタの各ビットに流れる電流の二乗に比例する力があります。この力はワイヤに対して横向きであり、適切に固定されていないとコイルが振動します。第二に、磁歪と呼ばれる静電ピエゾ効果に似た磁気特性があります。インダクタのコア材料は、印加磁場の関数としてサイズをわずかに変えることができます。フェライトはこの効果をあまり強く示しませんが、常に少しあり、磁場には他の物質が存在する可能性があります。私はかつて磁気ピックアップとして磁気ひずみ効果を使用した製品に取り組んでいました。はい、

まだ言及されていない電解質からセラミックに設計を切り替えないいくつかの理由があります：

• 一部のリニアレギュレータの設計では、安定性を維持するために、出力コンデンサの電解質のより高いESRが必要です。

• セラミックは、基板を曲げると、電解質よりも堅牢性が低くなります。特に、1206以上などの大きなサイズでは、妥当なWVで10〜20 uFを超える値が必要になるため、ボードにたわみがあると、セラミックは簡単に割れます。損傷するフレックスはフィールドで発生する可能性があります。または、製造されたパネルからボードを個別化するいくつかの方法で発生する可能性があります。

OPのディレーティング質問、およびOlinの詳細な回答に従って：

IPC-9592A（高信頼性電力変換デバイスの標準）は、次のディレーティングガイドラインを引用しています。

固定セラミックMLCC：

• DC電圧<=メーカーの評価の80％
• 温度：メーカーの評価より最低10°C
• サイズ：亀裂の可能性があるため、1210より大きいサイズは推奨されません

アルミ電解コンデンサ：

• DC電圧<=メーカーの定格の80％（250V以上のデバイスでは<= 90％）
• 寿命/耐久性：> = 40°Cで10年、クラスIIデバイスの80％負荷（データセンターのもの）、またはクラスIデバイスの5年（消費者グレード）

アルミニウム電解コンデンサの寿命/耐久性定格は、すべてのストレス（電圧、リップル電流、周囲温度）の関数です。キャップのエアフローが良好な場合、リップルが大きくなり、長い耐用年数を維持できます。ホットキャップの寿命は長くありません。

セラミックコンデンサの場合、温度も重要です。周囲温度とリップル電流により、温度が上昇します。それはセラミックが老化しないと言うことではありません-特定の誘電体材料（X7RやY5Vのようなクラス2材料）は時間の経過とともに容量が低下します- クラス1材料はほとんどこれに影響されません。

また、Olinが述べたように、特定の誘電材料には、DCバイアス電圧の関数としての大幅な静電容量のロールオフが発生します。繰り返しますが、クラス2の素材はこの問題に悩まされますが、クラス1の素材はほとんど影響を受けません。

基本的に、どちらかのタイプのコンデンサを使用する場合は、最大電圧をストレスの80％未満に保ちます。

セラミックコンデンサのはるかに低いESR（対電解キャップ）は、フィードバックループの安定性に影響します。コンバーターがスイッチャーであり、出力LCフィルターがある場合、コンバーターを安定させるためにタイプ3補償ネットワークが必要になる場合があります。

ESRが低いと、開ループゲインが-40 dB / decadeで長い間隔でロールオフします（ESRが低下するとESRゼロが押し出されます）。周波数クロスオーバーの補償ネットワークで+ 20dB /ディケードゲインが必要です。 -20dB /ディケード（電力設計者が求めるゲイン安定性と位相余裕の3つのループ安定性基準の1つ）。

間違っているかもしれませんが、セラミックバルクキャップに切り替えると、バルクキャップと小さなデカップリングキャップの間に反共振が生じます。慎重に選択しない限り、バルクキャップのインダクタンスは、デカップリングキャップのキャパシタンスと共振します。これらのデバイスのESRは共振を減衰させるため、これはタンタルおよび電解キャップでは発生しません。繰り返しますが、私は実際にこれを試したことがないため、間違っている可能性があります。