Produits de suppression du bruit / Filtres de suppression des interférences électromagnétiques (EMI) / Dispositifs de protection contre les décharges électrostatiques (ESD)
Guide des filtres anti-bruit
Comment réduire la surface de montage ? -Méthodes d'utilisation des condensateurs à faible ESL.
1. Introduction
Récemment, de nombreuses fonctions telles que les appareils photo numériques, les jeux, la navigation sur le web et la lecture de musique ont été ajoutées aux fonctions téléphoniques des appareils mobiles compacts tels que les smartphones, et l'on s'attend à ce que des fonctions encore plus diverses soient ajoutées à l'avenir. En outre, on s'attend à ce que les fonctions de communication de données à grande vitesse telles que le LTE deviennent populaires et que l'échange de films et d'autres données de grand volume augmente également (voir figure 1).
Avec l'augmentation de la vitesse des processeurs et l'adoption des communications LTE, la consommation d'énergie et la capacité des batteries augmentent, de sorte que les cartes principales sur lesquelles sont montés les composants électroniques tendent à devenir plus petites.
En outre, le nombre de composants électroniques montés sur les cartes a également tendance à augmenter au fur et à mesure que les fonctions deviennent plus avancées.
En particulier, des dizaines de MLCC (condensateurs céramiques multicouches) sont parfois utilisés dans le circuit d'alimentation d'un seul circuit processeur d'application qui traite de gros volumes de données.
Compte tenu de ce qui précède et des tendances techniques dans le domaine des smartphones, les caractéristiques suivantes sont exigées du MLCC utilisé dans les circuits intégrés d'alimentation.
- Compact avec une grande capacité
- Faible impédance
2. Comment la surface de montage est-elle réduite par l'utilisation de condensateurs à faible ESL ?
En utilisant de manière optimale les derniers condensateurs compacts et de grande capacité à faible ESL comme MLCC d'alimentation, le nombre de MLCC peut être réduit de moitié ou plus et la surface de montage occupée par les MLCC peut également être considérablement réduite, comme le montre la figure 2.
3. Types et caractéristiques des condensateurs à faible ESL
La figure 3 montre les connexions entre une ligne d'alimentation IC/LSI et le MLCC utilisé dans cette ligne.
Avec l'augmentation des vitesses de commutation des circuits intégrés et des circuits intégrés, ces derniers tendent à devenir des sources de bruit.
Un grand nombre de MLCC sont utilisés comme condensateurs de dérivation, comme le montre la figure 3, pour contrer le bruit à haute fréquence et supprimer les fluctuations de la tension d'alimentation.
Dans la figure 3, l'impédance générée par la boucle de courant qui passe de la broche HOT du CI/SIL à travers le MLCC et retourne ensuite à la broche GND du CI/SIL est appelée impédance de boucle. Comme la fluctuation de la tension d'alimentation qui se produit entre les broches HOT et GND du CI/SIL dépend de l'importance de cette impédance de boucle, il est de plus en plus nécessaire de supprimer l'impédance de boucle afin de supprimer la fluctuation de la tension d'alimentation. L'impédance du MLCC comprend une partie de cette impédance de boucle.
Normalement, pour supprimer l'impédance de la boucle, un grand nombre de MLCC sont connectés en parallèle pour réduire l'impédance totale par l'effet de parallélisme. La structure et le circuit équivalent des MLCC utilisés ici sont illustrés dans la partie inférieure de la figure 3. Bien qu'il s'agisse de condensateurs, ils présentent également des niveaux infimes de résistance série équivalente (ESR) et d'inductance série équivalente (ESL). L'ESL est un facteur qui augmente l'impédance de la boucle à haute fréquence.
Comme décrit ci-dessous, les condensateurs à faible ESL présentés dans cet article sont un type de MLCC créé de manière à réduire l'ESL. L'impédance de boucle peut être réduite en utilisant ces condensateurs à faible ESL comme condensateurs de dérivation. En outre, le nombre de composants utilisés en parallèle peut être réduit en remplaçant les MLCC par des condensateurs à faible ESL, ce qui permet de réduire considérablement le nombre de composants et la surface de montage.
Les structures et les caractéristiques des condensateurs à faible ESL sont expliquées ci-dessous. Il existe deux types de condensateurs à faible ESL : Les condensateurs inversés LW et les condensateurs à 3 bornes.
La partie centrale de la figure 4 montre la structure d'un condensateur inversé LW. Les directions de la longueur (L) et de la largeur (W) sont inversées par rapport à un condensateur de type normal, et les électrodes externes sont situées sur les côtés de la longueur.
L'ESL des MLCC a généralement tendance à augmenter en fonction de la distance parcourue par le courant et à diminuer lorsque la largeur devient plus importante. La structure du condensateur inverse LW permet donc d'obtenir un faible ESL en raccourcissant la distance et en élargissant la largeur sur laquelle le courant circule.
La structure d'un condensateur à trois bornes est ensuite décrite (partie inférieure de la figure 4). La structure des électrodes internes d'un condensateur à 3 bornes comporte des électrodes traversantes HOT et des électrodes traversantes GND qui se chevauchent alternativement. Cela signifie que lorsqu'un courant circule dans le sens de la polarisation, le courant circule sur une courte longueur et une grande largeur, de sorte que l'ESL est faible. En outre, les condensateurs à trois bornes forment quatre voies par lesquelles le courant circule et permettent d'obtenir un ESL encore plus faible grâce à cet effet de parallélisme. En outre, le courant circule dans les directions GND, c'est-à-dire les directions ascendante et descendante dans la figure ci-dessous. L'inductance mutuelle générée par ce courant permet de réduire l'ESL.
Le graphique de la figure 5 compare les caractéristiques d'impédance-fréquence d'un MLCC normal avec celles des types de condensateurs à faible ESL que sont un condensateur inversé LW et un condensateur à 3 bornes. Chaque type a la même capacité de 1 uF, de sorte qu'ils présentent à peu près les mêmes caractéristiques dans la bande de fréquence en dessous de leurs points d'autorésonance respectifs. Cependant, dans la bande de fréquence au-dessus du point d'autorésonance, l'impédance de chaque type diffère considérablement en raison des différences d'ESL.
Comme le montre la figure 5, le condensateur inverse LW a un tiers de l'ESL et le condensateur à trois bornes un dixième de l'ESL d'un MLCC normal. Toutefois, il convient de noter que cette comparaison des performances concerne des condensateurs autonomes et que les condensateurs sont en fait utilisés montés sur une carte, de sorte que l'impédance de boucle inclut les composants d'inductance de la carte et des trous de passage en plus de l'ESL du condensateur.
4. Méthodes de réduction du nombre de composants
La figure 6 compare les caractéristiques d'impédance en fréquence des derniers condensateurs compacts et de grande capacité à faible ESL et des MLCC. L'impédance à haute fréquence d'un condensateur inverse LW (taille de 1,0 × 0,6 mm ; 4,3 uF) est égale à l'impédance de deux MLCC (taille de 0,6 × 0,3 mm, 1 uF), de sorte que deux MLCC peuvent être remplacés par un seul condensateur inverse LW.
L'impédance à haute fréquence d'un condensateur à trois bornes (1,0 × 0,5 mm ; 4,3 uF) est égale à l'impédance de quatre MLCC ou plus. En théorie, quatre MLCC ou plus peuvent donc être remplacés par un seul condensateur à 3 bornes.
La figure 7 explique le principe de réduction du nombre de MLCC en utilisant des condensateurs à 3 bornes.
Pour des raisons de commodité, cet exemple utilise la structure simple d'un trou de passage, d'un câblage et d'un condensateur.
① montre un exemple d'utilisation d'un MLCC comme condensateur de dérivation. L'impédance de boucle dans ce cas est la valeur totale de l'impédance due aux composantes d'inductance du trou de passage, du câblage et du MLCC.
② montre le cas où un seul MLCC est remplacé par un seul condensateur à 3 bornes. Le condensateur à 3 bornes a une ESL inférieure à celle du MLCC, de sorte que la valeur de l'impédance totale de la boucle est réduite. On peut donc s'attendre à une réduction de la fluctuation de tension due à l'impédance de boucle.
La figure 8 montre une autre méthode d'utilisation d'un condensateur à 3 bornes.
Par exemple, en remplaçant les condensateurs de dérivation par un condensateur à trois bornes, en supposant la même impédance de boucle (le même niveau de fluctuation de tension) que pour le MLCC, la conception du câblage peut être allongée d'une quantité équivalente à la différence d'impédance du condensateur. Cette longueur de câblage supplémentaire peut être utilisée pour couvrir plusieurs broches d'alimentation avec un seul condensateur à trois bornes. Dans ce cas, l'utilisation d'un condensateur à 3 bornes permet de combiner plusieurs condensateurs de dérivation afin de réduire le nombre de composants, comme le montre la figure 8. La longueur du câblage augmente, de sorte que l'inductance du câblage augmente également, mais l'inductance du condensateur est réduite, de sorte que l'impédance totale ne change pas.
Cependant, lorsque le câblage est fin et/ou long et dépasse la composante ESL du condensateur, il n'y a pas d'effet. Par conséquent, pour réduire la composante d'inductance du câblage, il est recommandé d'augmenter la largeur du câblage et de connecter les trous de passage de l'alimentation sur la surface de montage du condensateur de dérivation afin d'augmenter l'effet parallèle.
5. Exemple de réduction du nombre de condensateurs
Actuellement, les conceptions de référence des circuits intégrés d'application de certains smartphones comprennent 100 MLCC de 1 uF de taille 0603 ou plus comme condensateurs de dérivation de l'alimentation électrique.
Dans certains cas, 10 condensateurs de dérivation ou plus sont utilisés en parallèle dans un certain nombre de lignes d'alimentation principales. En outre, il est également recommandé d'utiliser deux ou trois condensateurs en parallèle dans de nombreuses autres lignes d'alimentation.
La figure 9 montre un exemple de réduction du nombre de composants en remplaçant ces condensateurs MLCC par des condensateurs à faible ESL. En utilisant des condensateurs à faible ESL comme le montre la figure 9, il a été constaté que le nombre de MLCC peut être réduit de 100 dans la conception originale à seulement 32, tout en conservant la même impédance de boucle. En d'autres termes, le nombre total de MLCC peut être réduit de 68. En outre, en passant à des condensateurs à faible ESL, la surface occupée par le circuit intégré d'application et ses condensateurs périphériques peut être réduite d'environ 35 m㎡.
6. Conclusion
En utilisant de manière optimale les derniers condensateurs compacts et de grande capacité à faible ESL, le nombre de MLCC utilisés dans les alimentations IC peut être réduit de moitié ou plus, ce qui permet de réduire considérablement la surface de montage occupée par les MLCC. À l'avenir, nous avons l'intention de continuer à commercialiser des condensateurs compacts et de grande capacité à faible ESL afin de contribuer à réduire davantage le nombre de composants et la surface de montage.
Rédigé par : Kazuki Kato, Product Development Dept.2, Fukui Murata Manufacturing Co, Ltd.
Les informations présentées dans cet article étaient à jour à la date de publication. Veuillez noter qu'elles peuvent différer des informations les plus récentes.
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