コンデンサガイド

高分子コンデンサの基礎(前編)-高分子コンデンサって何?-

最終更新日:2023/09/13

はじめに

PCなどの電子機器のメイン基板を見てみると、図1の様な6タイプのコンデンサをよく見かけます。タンタル電解コンデンサ(二酸化マンガンタイプ、高分子タイプ)、アルミ電解コンデンサ(缶タイプ/電解液、缶タイプ/高分子、チップタイプ)、MLCCなどです。
コンデンサにはその他にもフィルムコンデンサやニオブコンデンサなど色々な種類がありますが、今回は村田製作所も手掛けている高分子コンデンサ(ECASシリーズ)について説明します。

主なコンデンサ
図1 主なコンデンサ

高分子コンデンサとは

高分子コンデンサとは、陰極に導電性高分子(導電性ポリマーとも呼ぶ)を用いた電解コンデンサを指します。これはタンタル電解コンデンサやアルミ電解コンデンサも同様ですが、アルミ電解コンデンサは陽極に「アルミニウム箔」、陰極に導電性高分子を用いています。
一方で、導電性高分子タイプのタンタル電解コンデンサは、陽極に「タンタル金属」、陰極に導電性高分子を用いています。図2に導電性高分子アルミ電解コンデンサの模式図を示します。

 
図2 導電性高分子アルミ電解コンデンサの模式図

従来タイプの電解コンデンサは、陰極に液体電解質(電解液)や二酸化マンガンを用いています。これらに代わって陰極に導電性高分子を用いて「導電性高分子」にすると、1.低ESR、2.安定した温度特性、3.安全性の向上、4.高寿命化、が実現できます。(図1および図3参照)

また、電解コンデンサであれば基本的に陽極に使っている弁金属の種類によって誘電体の種類が決まり、それにより誘電率やDCバイアス特性、音鳴きの特性が決まります。このように陽極と陰極、そして誘電体は、複数の種類の材料を組み合わせることでさまざまな特性を得ることができます。材料によって得意な領域と苦手な領域があるため、電子機器設計者は回路設計する際にそれらを使い分ける必要があります。

各種電解質材料の導電率の代表例
図3 各種電解質材料の導電率の代表例

村田製作所の導電性高分子アルミ電解コンデンサ(ECASシリーズ)について

村田製作所の導電性高分子アルミ電解コンデンサ(ECASシリーズ)は、「低ESR」「低インピーダンス」「大容量」という特長を有しています。まず「低ESR」ですが、導電率が高い導電性高分子を陰極に用いていることに加えてアルミ素子を積層しており、それによって、電解コンデンサの中では最も低いESRを実現しています。
次に「低インピーダンス」ですが、負荷側の変動に対する安定性に優れているため、出力電圧の低下を抑制できます。
最後に「大容量」ですが、静電容量を大きくとることができ、かつ、静電容量のDCバイアス特性がないため、直流電圧をかけた際の実使用上の静電容量が安定しています。このように、「低ESR」「低インピーダンス」「大容量(容量が安定している)」という点がECASシリーズの最大の特長です。

ECASシリーズの構造例
図4-1 ECASシリーズの構造例
ECASシリーズの等価回路
図4-2 ECASシリーズの等価回路

ECASシリーズの主なアプリケーション

回路上におけるコンデンサの役割のひとつは、電源ラインの電圧を安定化し、なだらかにすることです。
電子機器が高機能化すればするほど、CPUなどの電源ラインはシビアな電圧制御が求められており、電圧ラインを安定化するために大きな静電容量が必要な場合もあります。
このような場合、「MLCCを複数個並べる」という方法がありますが、村田製作所は ECASシリーズをMLCCの商品群に加えているため、「MLCCとECASシリーズを組み合わせて、員数とコストを抑える」というご提案も可能です。

図5はCPUやFPGAの電源ラインの簡単な回路図です。

CPUやFPGAの電源ラインの簡単な回路図
図5 CPUやFPGAの電源ラインの簡単な回路図

ECASシリーズは低ESR、低インピーダンス、静電容量が安定しているため、負荷電流が大きく変動が激しいCPUなどの各種電源ラインの平滑(リップル吸収や過 渡応答)用途に最適です。基本的にMLCCと組み合わせて使われる場合がほとんどで、ECASシリーズは特に電圧変動抑制(高速バックアップ)用途で能力 を発揮します。電圧変動抑制用途にはよく高分子タイプのタンタル電解コンデンサや、高分子タイプのアルミ電解コンデンサ(缶タイプ)も用いられますが、ECASシリーズはそれらよりもESRが低く、ESRと静電容量のバランスがとれているため、電圧変動抑制用途に最適です。
そんなECASシリーズはPC(ノートPC、サーバ、マザーボード、複合機 等)、デジタルAV機器(液晶テレビ、ゲーム機、セットトップボックス 等)によく使われています。
このような電子機器を設計される際はぜひECASシリーズをご検討ください。

ECASシリーズのラインアップ詳細についてはこちらからどうぞ。

担当:株式会社村田製作所 化学デバイス商品部

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