電力分配システム (PDS) のデザイン : バイパスキャパシタおよび ... - Xilinx

電力分配システム (PDS) のデザイン : バイパス キャパシタおよびデカップリング キャパシタの使用
PDS の 1 番目の主要なコンポーネントは、電圧レギュレータです。電圧レギュレータは、出力電圧を調
べて、電圧が一定に保たれるように供給する電流の量を調整します。一般的な電圧レギュレータは、こ
の調整をミリ秒からマイクロ秒のオーダーで行います。このような電圧レギュレータは、DC から数百
キロヘルツの周波数範囲で出力電圧を維持できます (レギュレータによって異なります)。この範囲を越
える周波数で発生する過渡状態では、電圧レギュレータが新たに必要となった電圧レベルに対応するま
でに遅延が生じます。たとえば、デバイス内の電流に対する要求がナノ秒単位で増加すると、電圧レギュ
レータが必要なレベルの電流を供給できるようになるまで、デバイスの電圧が低下します。
PDS の 2 番目の主要なコンポーネントは、バイパス キャパシタまたはデカップリング キャパシタです。
このアプリケーション ノートでは、「バイパス」および「デカップリング」という用語を同じ意味で使
用しています。このキャパシタの役割は、エネルギーを局所的に貯蔵することです。貯蔵されるエネル
ギーは少量なので、DC 電力を供給することはできません (DC 電力は電圧レギュレータが供給します)。
この局所的に貯蔵されたエネルギーの役割は、変化する電流条件に対して非常に素早く応答することで
す。デカップリング キャパシタは、ミリ秒からナノ秒の単位で、数百キロヘルツから数百メガヘルツの
範囲にある周波数で電源電圧を維持できます。この範囲外で発生する事象に関しては、デカップリング
キャパシタの効果はありません。たとえば、デバイス内の電流に対する要求がピコ秒単位で増加すると、
デカップリング キャパシタが必要な電荷をデバイスに供給できるようになるまで、デバイスの電圧が低
下します。デバイス内の電流に対する要求が変化し、その状態が数ミリ秒続くと、バイパス キャパシタ
と同時に機能している電圧レギュレータが、この新しい電流を供給するように出力を変化させます。
インダクタンスの役割
キャパシタと PCB の電流パスには、電流の流れの変化を遅らせるという特性があります。このため、
キャパシタは有効範囲を越える周波数で発生する変化や過渡電流に対して直ちには応答できません。こ
の特性を、インダクタンスと呼びます。
インダクタンスは、電荷の運動量と考えることができます。電荷が何らかの速度で移動していると、電
流が発生します。電流のレベルが変化すると、電荷は異なる速度で移動しなければならなくなります。
この電荷には運動量 (インダクタンス) があるので、電荷の速度が変化するまでに時間がかかります。イ
ンダクタンスが大きくなると、変化に対する抵抗が大きくなります。
PDS の目的は、デバイスの電流要求がどのようなものであろうと対応して、可能な限り素早く変化に応
答することです。この要求に対応できない場合、デバイスの電源の間の電圧が変化します。これが、ノ
イズになります。インダクタンスは変化する電流要求に対するバイパス キャパシタの応答速度を遅らせ
るので、インダクタンスを最小限にする必要があります。
図 1 は、デバイスとキャパシタ、およびキャパシタと電源レギュレータの間のインダクタンスを示して
います。これらのインダクタンスは、キャパシタ自体と PCB 内にあるすべての電流パスに対して寄生
的に発生します。これらを最小限にすることが重要です。
キャパシタの寄生インダクタンス
キャパシタにはさまざまな特性がありますが、多くの場合、容量値が最も重要と考えられます。しかし、
デカップリング キャパシタを選択する場合は、寄生インダクタンス (等価直列インダクタンス、ESL) の
特性がそれ以上に重要になります。
寄生インダクタンスに最も影響を与える要素は、パッケージの寸法です。これは非常に単純で、物理的
に小さいキャパシタの方が物理的に大きいキャパシタよりも寄生インダクタンスが小さくなります。短
いワイヤの方が長いワイヤよりもインダクタンスが小さいのと同じように、短いキャパシタの方が長い
キャパシタよりもインダクタンスが小さくなります。同様に、断面積が大きいワイヤの方が断面積が小
さいワイヤよりもインダクタンスが小さいのと同じように、断面積が大きいキャパシタの方が断面積が
小さいキャパシタよりもインダクタンスが小さくなります。
XAPP623 (v1.0) 2002 年 8 月 8 日 www.xilinx.co.jp 3
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