デカップリングコンデンサの選定：誘電体、バイアス、距離
10 µFのコンデンサは10 µFではない。定格電圧ではその半分になることがあり、自己共振周波数より上ではインダクタとして振る舞う。重要な3つの数値はデータシートのフロントページには載っていない。
簡単な回答
- 誘電体: デカップリングにはX7R、フィルタとタイミングにはC0G、X5Rはバイアスが低い場合のみ。
- DCバイアス: 25 V の 10 µF X5R は静電容量の 60–80 % を失う可能性があります。
- 自己共振: 100 nF 0402 は 25 MHz 付近で共振し、それ以上では誘導性になります。
- 距離: 1 mm あたり 1 nH。5 mm では別の部品になります。
1. 誘電体は互換ではありません
| クラス | 安定性 | 用途 |
|---|---|---|
| C0G / NP0 | Excellent, no bias loss | Filters, oscillators, timing |
| X7R | ±15 % over temperature | General decoupling |
| X5R | ±15 %, worse bias | Bulk where space is tight |
| Y5V | −80 % over temperature | Avoid for anything critical |
C0GとY5Vで同じ公称値でも、回路内では5倍の差が生じることがあります。価格差は小さいですが、設計上の影響は小さくありません。
| ケース | 公称値 | 回路内（推定） |
|---|---|---|
| 10 µF X5R 25 V at 12 V | 10 µF | 4–5 µF |
| 10 µF X7R 16 V at 12 V | 10 µF | 5–6 µF |
| 10 µF C0G 25 V at 12 V | 10 µF | 10 µF (larger case) |
2. DCバイアス：隠れたディレーティング
これは、紙の上では余裕があるように見えるデカップリングネットワークが回路内では余裕が乏しくなる最も一般的な理由です。10 µF X5R 25 V品は12 Vで4 µFと測定されることがあり、10 µF X7R 16 V品は12 Vで5 µFと測定されることがあります。データシートの値は0 Vで測定されています。
実用的な結論：コンデンサの定格電圧の50 %以内の電源レールでは、ベンダーがバイアス曲線を公開していない限り、公称値の50 %を想定してください。C0Gでは公称値を使用してください。
3. 自己共振周波数を超えるとインダクタになる
SRF = 1 / (2 pi sqrt(L x C)) 100 nF、0.4 nH（0402）：25 MHz 1 uF、0.8 nH：5.6 MHz 10 nF、0.8 nH：56 MHz
SRF未満ではインピーダンスは周波数とともに低下し、SRFを超えるとESLがインピーダンスを決めて上昇する。そのため、高周波では1 µFの部品が100 nFの部品を置き換えられないのであり、小容量のコンデンサをピンに最も近く配置すべきなのである。
並列接続した2つのコンデンサは単純に加算されるわけではない。それぞれの自己共振周波数の間で、ペアは局所的なインピーダンス上昇（反共振）を示すことがある。そのため、ピンの近くに小さなC0G、近傍により大きなX7Rを置く組み合わせは、同一部品2つよりも優れたペアとなる。正確な形状はESRに依存し、ESRがピークを減衰させる。
4. 距離はインダクタンスである
コンデンサはレギュレータが応答できない電流を供給し、両者間のトレースはその供給と直列のインダクタである。原則は配置が第一、値は第二である：ピン上の100 nFは、高周波過渡に対して基板の遠端にある10 µFに勝る。
ビアも距離の一部である。グラウンドプレーンへの単一ビアは約0.5～1 nHを追加する。並列の2本のビアはそれを半減する。大電流レールでは、プレーンを通る戻り経路はコンデンサの値と同じくらい重要である。
5. 役割で選ぶ
| 役割 | 標準 | 間違い |
|---|---|---|
| Bulk input | 10–100 µF, low ESR | Using a tiny case for a large value |
| Local decoupling | 100 nF, 0402/0603 | Placed 10 mm away |
| High frequency | 10–100 nF, C0G | Using X5R for a filter |
| Analog reference | 1–10 µF, low leakage | High-leakage electrolytic |
スイッチングコンバータでは、入力コンデンサにもリップル電流が流れます。その計算については、降圧レイアウトガイドを参照してください。SPI と I²C 側については、フラッシュレイアウトガイドは、異なる周波数で同じ配置ロジックを示しています。
5b. 実用的なデフォルト
| レール | デフォルトネットワーク |
|---|---|
| 3.3 V logic, low current | 100 nF per pin, 10 µF per rail |
| 5 V logic, mixed loads | 100 nF per pin, 22 µF per rail |
| Switching converter input | 10 µF ceramic close, plus bulk |
| Analog reference | 1 µF C0G or low-leakage, close |
6. チェックリスト
- 誘電体は価格ではなく役割で選ぶ。
- 使用電圧でのDCバイアス曲線を確認する。
- デカップリングが必要な周波数に対してSRFを確認する。
- 最も小さいコンデンサをピンの最も近くに配置する。
- グランドプレーンへのビアを追加し、コンデンサ1個につき最低1本とする。
- 大きな容量値の場合は、リップル電流とケースサイズを確認する。
7. FAQ
容量が大きいコンデンサは常に優れているのでしょうか？
いいえ。大きな値のものはESLが大きくSRFが低く、高周波で小さなコンデンサを置き換えることはできません。
なぜ10 µFが4 µFと測定されるのですか？
DCバイアスです。Class IIセラミックは定格電圧に近づくにつれて静電容量が減少します。C0Gは減少しません。
1つのコンデンサですべてを賄えますか？
うまくはいきません。バルク、ローカル、高周波の役割にはそれぞれ異なる要件があります。
コンデンサの経年変化は重要ですか？
クラスIIセラミックでは、静電容量が時間とともにゆっくりドリフトし、はんだ付けの熱で回復します。高精度タイミングにはC0Gを使用してください。
どの程度近ければ十分ですか？
ローカルデカップリングコンデンサは数ミリメートル以内に配置し、プレーンへの戻り経路を短くしてください。判断に迷う場合は、より近くに移動してください。
すべての電源ピンにコンデンサが必要ですか？
通常は必要です。各ピンに小型コンデンサを1個、さらに電源レールで共有するバルクコンデンサを配置します。
8. 出典
- メーカー製セラミックコンデンサのデータシート — DCバイアス曲線、温度係数、ESR/ESL。
- デカップリングおよびPDN設計に関するアプリケーションノート（TI、Analog Devices、Murata、TDK）。
- パッケージおよび実装の文脈に対応するJEDEC/IPCの部品・アセンブリ標準。
デカップリングコンデンサの選定は？
レール電圧、ノイズ周波数、パッケージをお送りください。実際に機能する誘電体と配置をご提案します。
