通常、出力コンデンサによるエネルギーの保存と制御ループ応答の組み合わせは、出力電圧の整合性を動的 (過渡) 許容誤差の仕様範囲内に保つために規定されます。電源管理アプリケーションで出力コンデンサを制限する通常の境界は、限られた中で利用可能な PCB 面積、部品の取付面積とプロファイル、コストによって決まります。負荷ステップの振幅とスルーレートが増加するにつれて、コンデンサの寄生 (等価直列抵抗 (ESR) と等価直列インダクタンス (ESL)) は、レギュレータの負荷過渡応答の形成において優先度がより高くなります。

出力コンデンサ C_OUT はインダクタのリップル電流をフィルタリングして、ステップ負荷過渡イベントのために電荷を蓄積します。一般的に、セラミックコンデンサの ESR は非常に低いため、出力電圧リップルとノイズスパイクは低減されますが、タンタルコンデンサとポリマー電解コンデンサは過渡負荷イベント用の比較的小さなフットプリントのものでも、バルク容量は非常に大きくなります。

ΔV_OUT で示されるピークツーピーク出力電圧リップルの静的仕様に基づき、式 13 で求められる値よりも高い出力容量を選択します。

図 8-1 は、負荷の上昇遷移時と下降遷移時の関連電流の波形を概念的に表した図です。ここに示すように、インダクタ電流のスルーレートは、負荷過渡に伴い新しい負荷電流レベルに合うようにインダクタ電流が上昇する際の、大信号の制限を表しています。このスルーレートの制限により、出力コンデンサの電荷の損失はより大きくなります。そのため、負荷の上昇過渡時とその後はできる限り迅速に電荷を補充する必要があります。同様に、負荷の下降過渡時とその後は、インダクタ電流のスルーレートの制限により出力コンデンサの電荷が増大するため、できる限り早く放電する必要があります。

低出力電圧 (12V など) への 48V 入力の標準的なレギュレータアプリケーションでは、負荷オフ時の過渡は出力電圧の過渡偏差という点でワーストケースになります。この電圧変換比では、定常状態のデューティサイクルは約 25% で、デューティサイクルがゼロに急減したときの大信号のインダクタ電流のスルーレートは約 -V_OUT/L です。負荷オン過渡に比べると、インダクタ電流は必要なレベルに遷移するまでにかなり時間がかかります。出力コンデンサの電荷が過剰になると、出力電圧の深刻なオーバーシュートを引き起こします。実際に、出力コンデンサからこの過剰な電荷をできるだけ早く放電するには、負荷ステップに従い、インダクタ電流が公称レベルを下回るようにする必要があります。このシナリオでは、出力容量が大きいほど有利に過剰な電荷を吸収して、電圧のオーバーシュートを最小限に抑えることができます。

このような負荷オフ過渡時に、出力電圧のオーバーシュート (ΔV_OVERSHOOT と表記され、出力電流の段階的な減少は ΔI_OUT で与えられます) の動的要件に合わせるように、式 13 で出力容量を計算します。

コンデンサメーカーのデータシートには、ESR と ESL が、仕様として明記、またはインピーダンスと周波数曲線の関係によって暗黙的に記載されています。種類、サイズ、構造に応じて、電解コンデンサには 10mΩ 以上の非常に大きな ESR と 10nH ～ 20nH の比較的高い ESL が内蔵されています。PCB パターンは寄生抵抗とインダクタンスにも寄与します。セラミック出力コンデンサはスイッチング周波数における ESR と ESL への寄与が小さく、容量性インピーダンスが優勢です。ただし、セラミック コンデンサのパッケージと電圧定格によっては、実効容量は印加された DC 電圧と動作温度で大幅に低下することがあります。

式 13 の ESR の項を無視すると、出力リップルの要件を満たすために必要な最小セラミック容量を簡単に見積もることができます。12V 出力の場合は、1210 のフットプリントで 4 つの 22µF、25V、X7R コンデンサを選ぶのが一般的です。負荷オフ過渡のオーバーシュート要件を満たすために追加容量が必要かどうかを決定するには、式 14 を使用します。

セラミック コンデンサと電解コンデンサを混在させて実装することは、化学的性質が異なっていても性能補完が可能なコンデンサを並列に接続する理由になります。各コンデンサの周波数応答は累積的で、各コンデンサは適用可能な周波数範囲の特定の部分で必要な性能を発揮します。セラミックは、低 ESR と ESL で優れた中域周波数と高周波数のデカップリング特性を実現し、スイッチング周波数の出力リップルを最小限に抑えます。一方、大きなバルク容量を持つ電解デバイスは低周波数でエネルギー保存を行うため、低周波数負荷過渡要求に対応します。