Leitfaden für Rauschunterdrückungsfilter

Wie kann die Montagefläche reduziert werden? -Verfahren zur Verwendung von Low-ESL-Kondensatoren-

1. Einleitung

In letzter Zeit wurden die Telefonfunktionen kompakter mobiler Geräte wie Smartphones um viele Funktionen wie Digitalkameras, Spiele, Webbrowsing und Musikwiedergabe erweitert, und es wird erwartet, dass in Zukunft noch mehr verschiedene Funktionen hinzukommen werden. Außerdem wird erwartet, dass Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsfunktionen wie LTE populär werden und der Austausch von Filmen und anderen großvolumigen Daten ebenfalls zunehmen wird (siehe Abbildung 1).

Da die CPU-Geschwindigkeiten steigen und die LTE-Kommunikation eingeführt wird, nehmen sowohl der Stromverbrauch als auch die Batteriekapazität zu, so dass die Hauptplatinen, auf denen die elektronischen Komponenten montiert sind, tendenziell kleiner werden.

Darüber hinaus nimmt die Zahl der auf den Platinen montierten elektronischen Bauteile mit der Weiterentwicklung der Funktionen tendenziell zu.

Insbesondere werden manchmal Dutzende von MLCCs (Multi-Layer Ceramic Capacitors) in der Stromversorgungsschaltung eines einzelnen Anwendungsprozessor-ICs verwendet, der große Datenmengen verarbeitet.

Vor diesem Hintergrund und aufgrund der technischen Trends bei Smartphones müssen MLCC, die in IC-Stromversorgungen verwendet werden, die folgenden Eigenschaften aufweisen.

  • Kompakt mit großer Kapazität
  • Niedrige Impedanz
Abbildung 1. Die Zukunft der Smartphones

2. Wie wird die Montagefläche durch die Verwendung von Low-ESL-Kondensatoren verringert?

Durch den optimalen Einsatz der neuesten kompakten und hochkapazitiven Low-ESL-Kondensatoren als Stromversorgungs-MLCCs kann die Anzahl der MLCCs um die Hälfte oder mehr reduziert werden, und auch die von den MLCCs belegte Montagefläche kann erheblich verringert werden, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Verringerung der Montagefläche durch Verwendung von Low-ESL-Kondensatoren

3. Typen und Merkmale von Low-ESL-Kondensatoren

Abbildung 3 zeigt die Verbindungen zwischen einer IC/LSI-Stromversorgungsleitung und dem in dieser Leitung verwendeten MLCC.

Da die Schaltgeschwindigkeiten von ICs/LSIs zunehmen, werden diese ICs/LSIs tendenziell zu Rauschquellen.

Als Gegenmaßnahme gegen hochfrequentes Rauschen und zur Unterdrückung von Versorgungsspannungsschwankungen wird eine große Anzahl von MLCC als Bypass-Kondensatoren verwendet (siehe Abbildung 3).

In Abbildung 3 wird die Impedanz, die durch die Stromschleife erzeugt wird, die vom HOT-Pin des IC/LSI durch das MLCC verläuft und dann zum GND-Pin des IC/LSI zurückkehrt, als Schleifenimpedanz bezeichnet. Da die Schwankungen der Versorgungsspannung, die zwischen den HOT- und GND-Pins des IC/LSI auftreten, von der Größe dieser Schleifenimpedanz abhängen, besteht ein zunehmender Bedarf, die Schleifenimpedanz zu unterdrücken, um die Schwankungen der Versorgungsspannung zu unterdrücken. Die Impedanz des MLCC umfasst einen Teil dieser Schleifenimpedanz.

Um die Schleifenimpedanz zu unterdrücken, wird normalerweise eine große Anzahl von MLCCs parallel geschaltet, um die Gesamtimpedanz durch den Paralleleffekt zu verringern. Die Struktur und das Ersatzschaltbild der hier verwendeten MLCCs sind im unteren Teil von Abbildung 3 dargestellt, und obwohl es sich um Kondensatoren handelt, haben sie auch winzige Werte des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) und der äquivalenten Serieninduktivität (ESL). Die ESL ist ein Faktor, der die Schleifenimpedanz bei hohen Frequenzen erhöht.

Wie unten beschrieben, sind die in diesem Artikel vorgestellten Low-ESL-Kondensatoren eine Art von MLCC, die so konstruiert sind, dass sie die ESL reduzieren. Die Schleifenimpedanz kann durch Verwendung dieser Low-ESL-Kondensatoren als Bypass-Kondensatoren verringert werden. Darüber hinaus kann die Anzahl der parallel verwendeten Komponenten durch den Ersatz von MLCC durch Low-ESL-Kondensatoren reduziert werden, wodurch sowohl die Anzahl der Komponenten als auch die Montagefläche erheblich verringert werden kann.

Abbildung 3. Verbindungen zwischen der IC/LSI-Leistungsleitung und dem MLCC

Die Strukturen und Merkmale von Low-ESL-Kondensatoren werden im Folgenden erläutert. Es gibt zwei Arten von Low-ESL-Kondensatoren: LW-Wendekondensatoren und 3-Terminal-Kondensatoren.

Der mittlere Bereich von Abbildung 4 zeigt die Struktur eines LW-Kondensators. Die Richtungen Länge (L) und Breite (W) sind umgekehrt wie bei einem normalen Kondensator, und die externen Elektroden befinden sich an den Längsseiten.

Der ESL-Wert von MLCCs steigt im Allgemeinen mit dem Abstand, über den der Strom fließt, und nimmt mit zunehmender Breite ab. Die LW-Kondensatorstruktur ermöglicht also einen niedrigen ESL-Wert, indem sie den Abstand verkürzt und die Breite, über die der Strom fließt, vergrößert.

Als nächstes wird der Aufbau eines 3-Pol-Kondensators beschrieben (unterer Bereich von Abbildung 4). Die interne Elektrodenstruktur eines 3-Pol-Kondensators hat abwechselnd überlappende HOT-Durchgangselektroden und GND-Durchgangselektroden. Das bedeutet, dass bei einem Stromfluss in Vorspannungsrichtung der Strom über eine kurze Länge und eine große Breite fließt, so dass die ESL gering ist. Darüber hinaus bilden 3-Terminal-Kondensatoren vier Wege, durch die der Strom fließt, und realisieren aufgrund dieses Paralleleffekts eine noch niedrigere ESL. Außerdem fließt der Strom in die GND-Richtung, d. h. in die Auf- und Abwärtsrichtung (siehe Abbildung unten). Die durch diesen Strom erzeugte Gegeninduktivität sorgt für eine niedrige ESL.

Abbildung 4. Typen und Merkmale von Low-ESL-Kondensatoren

Das Diagramm in Abbildung 5 vergleicht die Impedanz-Frequenz-Charakteristiken eines normalen MLCC mit denen der Low-ESL-Kondensatortypen eines LW-Reverse-Kondensators und eines 3-Terminal-Kondensators. Beide Typen haben die gleiche Kapazität von 1 uF, so dass sie im Frequenzband unterhalb ihrer jeweiligen Eigenresonanzpunkte ungefähr die gleichen Eigenschaften aufweisen. Im Frequenzband oberhalb des Eigenresonanzpunktes ist die Impedanz der beiden Typen jedoch aufgrund der unterschiedlichen ESL sehr unterschiedlich.

Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, hat der LW-Sperrkondensator ein Drittel der ESL und der 3-Terminal-Kondensator 1/10 der ESL eines normalen MLCC. Es ist jedoch zu beachten, dass dieser Leistungsvergleich für eigenständige Kondensatoren gilt und die Kondensatoren tatsächlich auf einer Platine montiert verwendet werden, so dass die Schleifenimpedanz neben der ESL des Kondensators auch die Induktivitätskomponenten der Platine und der Durchgangsbohrungen umfasst.

Abbildung 5. Impedanz-Frequenz-Charakteristik nach Produkttyp

4. Methoden zur Verringerung der Anzahl der Komponenten

In Abbildung 6 werden die Impedanz-Frequenz-Charakteristiken der neuesten kompakten und großvolumigen Low-ESL-Kondensatoren und MLCC verglichen. Die Impedanz bei hohen Frequenzen eines LW-Kondensators (Größe 1,0 × 0,6 mm; 4,3 uF) ist gleich der Impedanz von zwei MLCC (Größe 0,6 × 0,3 mm, 1 uF), so dass zwei MLCC durch einen einzigen LW-Kondensator ersetzt werden können.
Die Impedanz eines Kondensators mit drei Anschlüssen (Größe 1,0 × 0,5 mm; 4,3 uF) ist bei hohen Frequenzen gleich der Impedanz von vier oder mehr MLCCs. Theoretisch können daher vier oder mehr MLCCs durch einen einzigen 3-Terminal-Kondensator ersetzt werden.

Abbildung 6. Methoden zur Reduzierung der Anzahl der Komponenten

In Abbildung 7 wird das Prinzip der Verringerung der Anzahl von MLCCs durch die Verwendung von 3-Terminal-Kondensatoren erläutert.

Der Einfachheit halber wird in diesem Beispiel die einfache Struktur eines Durchgangslochs, einer Verdrahtung und eines Kondensators verwendet.

① zeigt ein Beispiel für die Verwendung eines MLCC als Bypass-Kondensator. Die Schleifenimpedanz ist in diesem Fall der Gesamtwert der Impedanz aufgrund der Induktivitätskomponenten des Durchgangslochs, der Verdrahtung und des MLCC.
② zeigt den Fall, dass ein einzelner MLCC durch einen einzelnen 3-Pol-Kondensator ersetzt wird. Der 3-Pol-Kondensator hat einen niedrigeren ESL-Wert als der MLCC, so dass sich der Gesamtwert der Schleifenimpedanz verringert. Daher ist eine Verringerung der Spannungsschwankungen aufgrund der Schleifenimpedanz zu erwarten.

Abbildung 7. Vergleich der Schleifenimpedanz

Abbildung 8 zeigt eine weitere Methode zur Verwendung eines 3-Pol-Kondensators.

Wenn beispielsweise Bypass-Kondensatoren durch einen 3-Anschluss-Kondensator ersetzt werden, kann die Verdrahtung bei gleicher Schleifenimpedanz (gleiches Spannungsschwankungsniveau) wie beim MLCC um einen Betrag verlängert werden, der dem Unterschied in der Kondensatorimpedanz entspricht. Diese zusätzliche Verdrahtungslänge kann genutzt werden, um mehrere Stromversorgungspins mit einem einzigen Kondensator mit drei Anschlüssen abzudecken. In diesem Fall ermöglicht die Verwendung eines 3-Terminal-Kondensators die Kombination mehrerer Bypass-Kondensatoren, um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren, wie in Abbildung 8 dargestellt. Die Verdrahtungslänge nimmt zu, so dass sich auch die Verdrahtungsinduktivität erhöht, aber die Kondensatorinduktivität wird reduziert, so dass sich die Gesamtimpedanz nicht ändert.

Wenn die Verdrahtung jedoch dünn und/oder lang ist und die ESL-Komponente des Kondensators übersteigt, gibt es keinen Effekt. Um die Induktivitätskomponente der Verdrahtung zu verringern, wird daher empfohlen, die Breite der Verdrahtung zu erhöhen und Durchgangslöcher für die Stromversorgung an der Montagefläche des Bypass-Kondensators anzubringen, um den Paralleleffekt zu erhöhen.

Abbildung 8. Bild der Verringerung der Anzahl der MLCCs durch Verwendung eines 3-Terminal-Kondensators

5. Beispiel für die Reduzierung der Anzahl der Kondensatoren

Derzeit enthalten die Referenzdesigns von Anwendungs-ICs für einige Smartphones 100 oder mehr MLCCs der Größe 0603, 1 uF, als Bypass-Kondensatoren für die Stromversorgung.

Es gibt Fälle, in denen 10 oder mehr Bypass-Kondensatoren parallel in einer Reihe von Hauptstromversorgungsleitungen verwendet werden. Darüber hinaus wird empfohlen, in vielen anderen Stromversorgungsleitungen zwei oder drei Kondensatoren parallel zu verwenden.

Abbildung 9 zeigt ein Beispiel für die Verringerung der Anzahl der Komponenten durch den Austausch dieser Kondensatoren von MLCCs gegen Low-ESL-Kondensatoren. Durch die Verwendung von Low-ESL-Kondensatoren, wie in Abbildung 9 dargestellt, konnte die Anzahl der MLCCs von 100 im ursprünglichen Entwurf auf nur 32 reduziert werden, wobei die gleiche Schleifenimpedanz beibehalten wurde. Das bedeutet, dass die Gesamtzahl der MLCCs um 68 reduziert werden kann. Darüber hinaus kann durch den Wechsel zu Low-ESL-Kondensatoren die vom Anwendungs-IC und seinen peripheren Kondensatoren belegte Fläche um etwa 35 m㎡ verringert werden.

Abbildung 9. Verringerung der Anzahl der Bauteile und der Montagefläche

6. Schlussfolgerung

Durch den optimalen Einsatz der neuesten kompakten und großkapazitiven Low-ESL-Kondensatoren kann die Anzahl der in IC-Stromversorgungen verwendeten MLCCs um die Hälfte oder mehr reduziert werden, was eine deutlich geringere Montagefläche für MLCCs ermöglicht. Wir beabsichtigen, auch in Zukunft kompakte und großvolumige Low-ESL-Kondensatoren auf den Markt zu bringen, um die Anzahl der Bauteile und die Montagefläche weiter zu reduzieren.

 

Geschrieben von: Kazuki Kato, Produktentwicklungsabteilung 2, Fukui Murata Manufacturing Co, Ltd.

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