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노이즈 억제 필터 가이드
장착 면적을 어떻게 줄일 수 있나요? -저-ESL 커패시터 사용 방법-
1. 소개
최근 스마트폰과 같은 소형 모바일 기기의 전화 기능에 디지털 카메라, 게임, 웹 브라우징, 음악 재생 등 다양한 기능이 추가되고 있으며, 앞으로 더욱 다양한 기능이 추가될 것으로 예상됩니다. 또한 LTE와 같은 고속 데이터 통신 기능이 대중화되고 영화 등 대용량 데이터의 교환도 늘어날 것으로 예상됩니다(그림 1 참조).
CPU 속도가 빨라지고 LTE 통신이 도입되면서 전력 소비량과 배터리 용량이 모두 증가함에 따라 전자 부품이 탑재되는 메인 보드가 소형화되는 추세입니다.
또한 기능이 고도화됨에 따라 기판에 탑재되는 전자 부품의 수도 증가하는 추세입니다.
특히 대용량 데이터를 처리하는 단일 애플리케이션 프로세서 IC의 전원 공급 회로에는 수십 개의 MLCC(적층 세라믹 커패시터)가 사용되기도 합니다.
위의 배경과 스마트폰의 기술 동향을 바탕으로 IC 전원 공급 장치에 사용되는 MLCC에는 다음과 같은 특성이 요구됩니다.
- 대용량 컴팩트한 사이즈
- 낮은 임피던스
2. 낮은 ESL 커패시터를 사용하면 장착 면적을 어떻게 줄일 수 있나요?
최신 소형-대용량 저ESL 커패시터를 전원 공급용 MLCC로 최적으로 활용하면 그림 2와 같이 MLCC 수를 절반 이상 줄일 수 있고, MLCC가 차지하는 실장 면적도 크게 줄일 수 있습니다.
3. 낮은 ESL 커패시터의 종류 및 특징
그림 3은 IC/LSI 전원 공급 라인과 해당 라인에 사용되는 MLCC 간의 연결을 보여줍니다.
IC/LSI 스위칭 속도가 증가함에 따라 이러한 IC/LSI는 노이즈의 원인이 되는 경향이 있습니다.
고주파 노이즈에 대한 대책과 공급 전압 변동을 억제하기 위해 그림 3과 같이 많은 수의 MLCC가 바이패스 커패시터로 사용됩니다.
그림 3에서 IC/LSI의 HOT 핀에서 MLCC를 거쳐 IC/LSI의 GND 핀으로 돌아오는 전류 루프에서 발생하는 임피던스를 루프 임피던스라고 합니다. 이 루프 임피던스의 크기에 따라 IC/LSI의 HOT 핀과 GND 핀 사이에서 발생하는 공급 전압 변동이 달라지기 때문에 공급 전압 변동을 억제하기 위해 루프 임피던스를 억제해야 할 필요성이 커지고 있습니다. MLCC의 임피던스는 이 루프 임피던스의 일부로 구성됩니다.
일반적으로 루프 임피던스를 억제하기 위해 많은 수의 MLCC를 병렬로 연결하여 병렬 효과에 의한 총 임피던스를 줄입니다. 여기에 사용된 MLCC의 구조와 등가 회로는 그림 3의 하단에 나와 있으며, 커패시터이긴 하지만 등가 직렬 저항(ESR)과 등가 직렬 인덕턴스(ESL)도 미세하게 존재합니다. 이 중 ESL은 고주파수에서 루프 임피던스를 증가시키는 요인입니다.
아래에서 설명하는 것처럼 이 문서에서 소개하는 낮은 ESL 커패시터는 ESL을 줄이기 위해 만들어진 MLCC의 한 종류입니다. 이러한 낮은 ESL 커패시터를 바이패스 커패시터로 사용하면 루프 임피던스를 줄일 수 있습니다. 또한, 병렬로 사용되는 부품의 수를 줄일 수 있는 MLCC를 저 ESL 커패시터로 대체함으로써 부품 수와 실장 면적을 모두 크게 줄일 수 있습니다.
낮은 ESL 커패시터의 구조와 특징은 아래에 설명되어 있습니다. 저-ESL 커패시터에는 두 가지 유형이 있습니다: LW 리버스 커패시터와 3단자 커패시터입니다.
그림 4의 중앙 영역은 LW 역방향 커패시터의 구조를 보여줍니다. 길이(L)와 너비(W) 방향은 일반형 커패시터의 반대이며, 외부 전극은 길이 방향에 위치합니다.
일반적으로 MLCC의 ESL은 전류가 흐르는 거리에 따라 증가하고 폭이 넓어질수록 감소하는 경향이 있는데, LW 역 커패시터 구조는 전류가 흐르는 거리를 짧게 하고 폭을 넓혀 낮은 ESL을 실현합니다.
다음으로 3단자 커패시터의 구조를 설명합니다(그림 4의 아래쪽 영역). 3단자 커패시터의 내부 전극 구조는 HOT 통과 전극과 GND 통과 전극이 교대로 겹쳐져 있습니다. 즉, 바이어스 방향으로 전류가 흐르면 전류가 짧은 길이와 넓은 폭에 걸쳐 흐르기 때문에 ESL이 낮습니다. 또한 3단자 커패시터는 전류가 흐르는 4개의 경로를 형성하며, 이러한 병렬 효과로 인해 더욱 낮은 ESL을 실현합니다. 또한 전류는 아래 그림에서 GND 방향, 즉 위쪽과 아래쪽 방향으로 흐릅니다. 이 전류에 의해 생성된 상호 인덕턴스가 낮은 ESL을 실현합니다.
그림 5의 그래프는 일반 MLCC의 임피던스 주파수 특성을 LW 역 커패시터 및 3단자 커패시터 유형의 낮은 ESL 커패시터와 비교한 것입니다. 각 유형의 커패시턴스는 1uF로 동일하므로 각각의 자기 공진점 아래 주파수 대역에서는 거의 동일한 특성을 나타냅니다. 그러나 자기 공진점 위의 주파수 대역에서는 ESL의 차이로 인해 각 유형의 임피던스가 크게 달라집니다.
그림 5에서 볼 수 있듯이 LW 리버스 커패시터는 일반 MLCC의 1/3, 3단자 커패시터는 1/10의 ESL을 가지고 있습니다. 그러나 이 성능 비교는 독립형 커패시터에 대한 것이며 커패시터는 실제로 보드에 장착되어 사용되므로 루프 임피던스에는 커패시터 ESL 외에 보드 및 비아 홀 인덕턴스 구성 요소가 포함됩니다.
4. 구성 요소 수를 줄이는 방법
그림 6은 최신 소형 및 대용량 저-ESL 커패시터와 MLCC의 임피던스 주파수 특성을 비교한 것입니다. LW 역 커패시터(1.0 × 0.6mm 크기, 4.3uF)의 고주파 임피던스는 MLCC(0.6 × 0.3mm 크기, 1uF) 두 개의 임피던스와 같으므로 두 개의 MLCC를 하나의 LW 역 커패시터로 대체할 수 있습니다.
3단자 커패시터(1.0 × 0.5mm 크기, 4.3 uF)의 고주파 임피던스는 4개 이상의 MLCC의 임피던스와 동일합니다. 따라서 이론적으로는 4개 이상의 MLCC를 단일 3단자 커패시터로 대체할 수 있습니다.
그림 7은 3단자 커패시터를 사용하여 MLCC 수를 줄이는 원리를 설명합니다.
편의를 위해 이 예제에서는 비아홀, 배선, 커패시터의 간단한 구조를 사용합니다.
는 MLCC를 바이패스 커패시터로 사용하는 예를 보여줍니다. 이 경우의 루프 임피던스는 비아 홀, 배선 및 MLCC의 인덕턴스 구성 요소로 인한 임피던스의 총 값입니다.
는 단일 MLCC를 단일 3단자 커패시터로 대체한 경우를 보여줍니다. 3단자 커패시터는 MLCC보다 ESL이 낮기 때문에 전체 루프 임피던스 값이 감소합니다. 따라서 루프 임피던스로 인한 전압 변동 감소를 기대할 수 있습니다.
그림 8은 3단자 커패시터를 사용하는 또 다른 방법을 보여줍니다.
예를 들어, 바이패스 커패시터를 3단자 커패시터로 교체할 때 MLCC와 동일한 루프 임피던스(동일한 전압 변동 수준)를 가정하면 커패시터 임피던스의 차이만큼 배선 설계를 늘릴 수 있습니다. 이 추가 배선 길이는 단일 3단자 커패시터로 여러 전원 공급 장치 핀을 커버하는 데 사용할 수 있습니다. 이 경우 3단자 커패시터를 사용하면 그림 8과 같이 여러 개의 바이패스 커패시터를 결합하여 구성 요소 수를 줄일 수 있습니다. 배선 길이가 증가하므로 배선 인덕턴스도 증가하지만 커패시터 인덕턴스가 감소하므로 총 임피던스는 변하지 않습니다.
그러나 배선이 얇거나 길어서 커패시터 ESL 구성 요소를 초과하는 경우 효과가 없습니다. 따라서 배선 인덕턴스 성분을 줄이려면 배선 폭을 늘리고 바이패스 커패시터 장착 표면에 전원 공급 장치 비아홀을 연결하여 병렬 효과를 높이는 것이 좋습니다.
5. 커패시터 개수를 줄이는 예시
현재 일부 스마트폰용 애플리케이션 IC의 레퍼런스 디자인에는 전원 공급 바이패스 커패시터로 100개 이상의 0603 크기, 1 uF MLCC가 포함되어 있습니다.
이 중 다수의 핵심 전원 공급 라인에 10개 이상의 바이패스 커패시터를 병렬로 사용하는 경우가 있습니다. 또한 다른 많은 전원 공급 라인에서도 2~3개의 커패시터를 병렬로 사용하는 것이 좋습니다.
그림 9는 이러한 커패시터를 MLCC에서 저ESL 커패시터로 변경하여 부품 수를 줄인 예를 보여줍니다. 그림 9와 같이 낮은 ESL 커패시터를 사용하면 동일한 루프 임피던스를 유지하면서 원래 설계의 100개에서 32개로 MLCC 수를 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 즉, 총 MLCC 수를 68개까지 줄일 수 있습니다. 또한 저ESL 커패시터로 변경함으로써 애플리케이션 IC와 그 주변 커패시터가 차지하는 면적을 약 35㎡ 줄일 수 있습니다.
6. 결론
최신 소형-대용량 저-ESL 커패시터를 최적으로 활용하면 IC 파워 서플라이에 사용되는 MLCC 개수를 절반 이상 줄일 수 있어 MLCC가 차지하는 실장 면적을 크게 줄일 수 있습니다. 향후에도 소형-대용량 저-ESL 커패시터를 지속적으로 상용화하여 부품 수와 실장 면적을 더욱 줄이는 데 기여하고자 합니다.
작성자: 카토 카즈키, 후쿠이 무라타 제조주식회사 제품 개발부 2팀
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