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セラミック・キャパシタのESLとは


プリント基板EMC Q＆A

インダクタンスと電流ループ

図1　ESLはキャパシタ単体の固有値ではなく，キャパシタが接続される回路構成や電流ループによって大きく変化する．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］櫻井秋久
詳細：［Book/pdf］デシベルから始めるプリント基板EMC即答200

表面実装型セラミック・キャパシタのデータシートには「等価直列インダクタンス（ESL：Equivalent Series Inductance）」という値が記載されていることがあります．ESLはキャパシタの高周波特性に影響する要素としてしばしば取り上げられますが，データシートに記載された数値をそのまま設計に反映するのは正しくありません．なぜなら，このインダクタンスはキャパシタ単体の固有値ではなく，実際にはキャパシタが接続される回路構成や電流ループによって大きく変化するからです．

ESL値がもつ制約

データシートに記載されたESLの値にはいくつかの制約があります．まず，ESLを定義する標準的な方法が存在しないため，メーカ間で比較しても意味がありません．多くの場合，以下のような測定方法が用いられています．

  1. キャパシタを含む回路のインダクタンスを測定する
  2. 同じ回路でキャパシタを短絡し，再度インダクタンスを測定する
  3. 両者の差分をESLと定義する

この方法は一見合理的に見えますが，電流ループのインダクタンスは単純な部分の総和では表現できません．そのため，この定義には根本的な欠陥があります．結果的に，データシートに示されるESL値は実際の実装環境で実現される値よりもかなり小さいことが多いです．

インダクタンスと電流ループの関係

インダクタンスは要素単体ではなく，電流ループ全体の形状や長さ，配線の取り回しに依存します．キャパシタの取り付け位置やビアの配置などもループ・インダクタンスに強く影響します．そのため，キャパシタのESLを部品カタログ上の数値で議論するのは不正確です．実際の設計では，キャパシタを実装した際に形成される電流経路を考慮する必要があります．

設計における実際の指針

ESLを設計で活用する際の指針は次のとおりです．

  1. データシートのESL値を絶対的な基準としない
  2. インダクタンスは電流ループで決まるという理解をもつ
  3. 配線の長さやビア配置を短くし，ループ面積を小さくすることで高周波特性を改善する
  4. 複数のキャパシタを分散配置してループ・インダクタンスを低減する

セラミック・キャパシタの高周波特性を設計で正しく扱うためには，ESLを部品単体の特性として捉えるのではなく，回路全体の一部として評価することが重要です．実装環境に依存する性質を理解しておくことで，安定した回路動作に寄与します．

． 〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 櫻井 秋久
  • 1982年　九州大学大学院総合理工学研究科修了
  • 1982年　日本アイ・ビー・エム株式会社入社．通信端末の製品開発，数値シミュレーションを応用したEMC 製品設計技術の研究，開発に従事
  • 2005年　IBM ディスティングイッシュド・エンジニア，技術開発センター長
  • 2010年　数値気象予測などIBMの基礎研究成果を活用したソリューション開発に従事
  • 2020年　同社退社
  • 2021年　株式会社システムデザイン研究所・顧問，山形大学ナスカ研究所教授．iNARTE EMCマスタ・デザイン・エンジニア
  • クレムソン大学の電気・コンピュータ工学の名誉教授，LearnEMCの社長．MITでBSEE，パデュー大学でMSEE，ノースカロライナ州立大学でPh.D.を取得．IBMで7年間エンジニアを務め，ミズーリ大学ローラ校で17年間教員を務めた後，2006年にクレムソン大学に入社
  • クレムソン大学の車両エレクトロニクスのミシュラン教授として，クレムソン車両エレクトロニクス研究所を設立し，車両エレクトロニクス，電磁適合性，ディジタル・シグナルインテグリティの研究プロジェクトを監督し，授業を担当．
  • 同氏が運営するウェブサイト“LearnEMC”では，自動車，航空宇宙，民生用電子機器の各業界で働くエンジニアを対象に，EMCに関する指導，コンサルティング，設計支援を行っている．
  • 電気電子学会(IEEE)フェロー，Applied Computational Electromagnetics Societyフェロー，IEEE Electromagnetic Compatibility Society Past-President．

著書

  1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．