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Guía de filtros de supresión de ruido
¿Cómo reducir la superficie de montaje? -Métodos de utilización de condensadores de bajo ESL-.
1. Introducción
Recientemente se han añadido muchas funciones, como cámaras digitales, juegos, navegación web y reproducción de música, a las funciones telefónicas de dispositivos móviles compactos como los smartphones, y se espera que en el futuro se añadan funciones aún más diversas. Además, se prevé que se popularicen las funciones de comunicación de datos de alta velocidad, como LTE, y que aumente también el intercambio de películas y otros datos de gran volumen (véase la figura 1).
A medida que aumentan las velocidades de las CPU y se adoptan las comunicaciones LTE, aumentan tanto el consumo de energía como la capacidad de las baterías, por lo que las placas principales en las que se montan los componentes electrónicos tienden a hacerse más pequeñas.
Además, el número de componentes electrónicos montados en las placas también tiende a aumentar a medida que las funciones son más avanzadas.
En concreto, a veces se utilizan decenas de MLCC (condensadores cerámicos multicapa) en el circuito de alimentación de un único circuito integrado de procesador de aplicaciones que procesa grandes volúmenes de datos.
Sobre la base de los antecedentes anteriores y las tendencias técnicas en los teléfonos inteligentes, se requieren las siguientes características de los MLCC utilizados en las fuentes de alimentación de CI.
- Compacto con gran capacidad
- Baja impedancia
2. ¿Cómo se reduce la superficie de montaje utilizando condensadores de bajo ESL?
Haciendo un uso óptimo de los últimos condensadores de baja ESL compactos y de gran capacidad como MLCC de fuente de alimentación, el número de MLCC puede reducirse a la mitad o más y el área de montaje ocupada por los MLCC también puede reducirse en gran medida, como se muestra en la figura 2.
3. Tipos y características de los condensadores de bajo ESL
La figura 3 muestra las conexiones entre una línea de alimentación de IC/LSI y el MLCC utilizado en dicha línea.
A medida que aumentan las velocidades de conmutación de los IC/LSI, éstos tienden a convertirse en fuentes de ruido.
Se utilizan grandes cantidades de MLCC como condensadores de derivación, como se muestra en la figura 3, como contramedidas contra el ruido de alta frecuencia y para suprimir la fluctuación de la tensión de alimentación.
En la figura 3, la impedancia generada por el bucle de corriente que pasa de la patilla HOT del IC/LSI a través del MLCC y luego vuelve a la patilla GND del IC/LSI se denomina impedancia de bucle. Dado que la fluctuación de la tensión de alimentación que se produce entre las patillas HOT y GND del IC/LSI depende del tamaño de esta impedancia de bucle, cada vez es más necesario suprimir la impedancia de bucle para suprimir la fluctuación de la tensión de alimentación. La impedancia del MLCC comprende una parte de esta impedancia de bucle.
Normalmente, para suprimir la impedancia de bucle, se conectan en paralelo un gran número de MLCC para reducir la impedancia total por el efecto paralelo. La estructura y el circuito equivalente de los MLCC utilizados aquí se muestran en la parte inferior de la figura 3, y aunque son condensadores, también tienen niveles diminutos de resistencia en serie equivalente (ESR) e inductancia en serie equivalente (ESL). De éstas, la ESL es un factor que aumenta la impedancia de bucle a altas frecuencias.
Como se describe a continuación, los condensadores de baja ESL introducidos en este artículo son un tipo de MLCC creado de manera que se reduzca la ESL. La impedancia de bucle se puede reducir mediante el uso de estos condensadores de baja ESL como condensadores de bypass. Además, el número de componentes utilizados en paralelo puede reducirse sustituyendo los MLCC por condensadores de baja ESL, lo que permite reducir en gran medida tanto el número de componentes como el área de montaje.
A continuación se explican las estructuras y características de los condensadores de bajo ESL. Existen dos tipos de condensadores de bajo ESL: Condensadores de inversión LW y condensadores de 3 terminales.
La zona central de la figura 4 muestra la estructura de un condensador inverso LW. Las direcciones de longitud (L) y anchura (W) son inversas a las de un condensador de tipo normal, y los electrodos externos están situados en los lados longitudinales.
La ESL de los MLCC generalmente tiende a aumentar en función de la distancia a la que fluye la corriente, y disminuye a medida que se amplía la anchura, por lo que la estructura del condensador inverso LW consigue una ESL baja acortando la distancia y ampliando la anchura por la que fluye la corriente.
A continuación, se describe la estructura de un condensador de 3 terminales (zona inferior de la figura 4). La estructura interna de electrodos de un condensador de 3 terminales tiene electrodos de paso HOT y electrodos de paso GND superpuestos alternativamente. Esto significa que cuando una corriente fluye en la dirección de polarización, la corriente fluye sobre una longitud corta y una anchura amplia, por lo que el ESL es bajo. Además, los condensadores de 3 terminales forman cuatro rutas a través de las cuales fluye la corriente, y consiguen una ESL aún más baja debido a este efecto paralelo. Además, la corriente fluye hacia las direcciones GND, es decir, hacia arriba y hacia abajo en la figura siguiente. La inductancia mutua generada por esta corriente hace que el ESL sea bajo.
El gráfico de la figura 5 compara las características de frecuencia de impedancia de un MLCC normal con las de los tipos de condensador de baja ESL de un condensador inverso LW y un condensador de 3 terminales. Cada tipo tiene la misma capacitancia de 1 uF, por lo que presentan aproximadamente las mismas características en la banda de frecuencias por debajo de sus respectivos puntos de autorresonancia. Sin embargo, en la banda de frecuencias por encima del punto de autorresonancia, la impedancia de cada tipo difiere en gran medida debido a las diferencias en ESL.
Como se muestra en la figura 5, el condensador inverso LW tiene 1/3 del ESL y el condensador de 3 terminales 1/10 del ESL de un MLCC normal. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que esta comparación de rendimiento es para condensadores independientes, y los condensadores se utilizan realmente montados en una placa, por lo que la impedancia de bucle incluye los componentes de inductancia de la placa y de los orificios de paso, además de la ESL del condensador.
4. Métodos para reducir el número de componentes
En la figura 6 se comparan las características de impedancia en frecuencia de los condensadores de baja ESL más recientes, compactos y de gran capacidad, y de los MLCC. La impedancia a altas frecuencias de un condensador inverso LW (tamaño de 1,0 × 0,6 mm; 4,3 uF) es igual a la impedancia de dos MLCC (tamaño de 0,6 × 0,3 mm, 1 uF), por lo que se pueden sustituir dos MLCC por un único condensador inverso LW.
La impedancia a altas frecuencias de un condensador de 3 terminales (tamaño 1,0 × 0,5 mm; 4,3 uF) es igual a la impedancia de cuatro o más MLCC. Por lo tanto, en teoría, se pueden sustituir cuatro o más MLCC por un único condensador de 3 terminales.
La figura 7 explica el principio de reducción del número de MLCC utilizando condensadores de 3 terminales.
Para mayor comodidad, este ejemplo utiliza la estructura simple de un orificio de vía, cableado y un condensador.
① muestra un ejemplo de utilización de un MLCC como condensador de derivación. La impedancia de bucle en este caso es el valor total de la impedancia debida a los componentes de inductancia de la vía, el cableado y el MLCC.
② muestra el caso en que se sustituye un único MLCC por un único condensador de 3 terminales. El condensador de 3 terminales tiene un ESL menor que el MLCC, por lo que se reduce el valor total de la impedancia de bucle. Por lo tanto, cabe esperar una reducción de la fluctuación de tensión debida a la impedancia de bucle.
La figura 8 muestra otro método de utilizar un condensador de 3 terminales.
Por ejemplo, al sustituir los condensadores de derivación por un condensador de 3 terminales, suponiendo la misma impedancia de bucle (el mismo nivel de fluctuación de tensión) que para el MLCC, el diseño del cableado puede alargarse una cantidad equivalente a la diferencia en la impedancia del condensador. Esta longitud extra de cableado puede utilizarse para cubrir múltiples pines de alimentación con un único condensador de 3 terminales. En este caso, el uso de un condensador de 3 terminales permite la combinación de múltiples condensadores de bypass para reducir el número de componentes como se muestra en la figura 8. La longitud del cableado aumenta por lo que la inductancia del cableado también aumenta, pero la inductancia del condensador se reduce, por lo que la impedancia total no cambia.
Sin embargo, cuando el cableado es fino y/o largo y supera el componente ESL del condensador, no se produce ningún efecto. Por lo tanto, para reducir el componente de inductancia del cableado se recomienda aumentar la anchura del cableado y conectar orificios de paso de la fuente de alimentación en la superficie de montaje del condensador de derivación para aumentar el efecto paralelo.
5. Ejemplo de reducción del número de condensadores
Actualmente, los diseños de referencia de CI de aplicación para algunos smartphones incluyen 100 o más MLCC de tamaño 0603 y 1 uF como condensadores de derivación de la fuente de alimentación.
De ellos, hay casos en los que se utilizan 10 o más condensadores de derivación en paralelo en varias líneas de alimentación del núcleo. Además, también se recomienda utilizar dos o tres condensadores en paralelo en muchas otras líneas de alimentación.
La figura 9 muestra un ejemplo de reducción del número de componentes cambiando estos condensadores de MLCC a condensadores de bajo ESL. Utilizando condensadores de bajo ESL como se muestra en la figura 9, se comprobó que el número de MLCC puede reducirse de 100 en el diseño original a sólo 32, manteniendo la misma impedancia de bucle. Es decir, el número total de MLCC puede reducirse en 68. Además, cambiando a condensadores de bajo ESL, el área ocupada por el CI de aplicación y sus condensadores periféricos puede reducirse en aproximadamente 35 m㎡.
6. Conclusión
Al hacer un uso óptimo de los últimos condensadores compactos y de gran capacidad de baja ESL, el número de MLCC utilizados en las fuentes de alimentación de CI puede reducirse a la mitad o más, lo que permite reducir en gran medida el área de montaje ocupada por los MLCC. En el futuro tenemos la intención de seguir comercializando condensadores compactos y de gran capacidad de baja ESL para contribuir a reducir aún más el número de componentes y el área de montaje.
Escrito por: Kazuki Kato, Departamento de Desarrollo de Productos 2, Fukui Murata Manufacturing Co., Ltd.
La información presentada en este artículo estaba actualizada en la fecha de publicación. Tenga en cuenta que puede diferir de la información más reciente.
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