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Guia do filtro de supressão de ruído
Como reduzir a área de montagem? -Métodos de utilização de condensadores de baixo ESL-
1. Introdução
Recentemente, muitas funções, como câmaras digitais, jogos, navegação na Web e reprodução de música, foram adicionadas às funções de telefone dos dispositivos móveis compactos, como os smartphones, e espera-se que, no futuro, sejam adicionadas funções ainda mais diversificadas. Além disso, prevê-se que as funções de comunicação de dados de alta velocidade, como a LTE, se tornem populares e que a troca de filmes e outros dados de grande volume também aumente (ver figura 1).
À medida que as velocidades da CPU aumentam e as comunicações LTE são adoptadas, tanto o consumo de energia como a capacidade das baterias aumentam, pelo que as placas principais em que os componentes electrónicos são montados tendem a tornar-se mais pequenas.
Além disso, o número de componentes electrónicos montados nas placas também tende a aumentar à medida que as funções se tornam mais avançadas.
Em particular, dezenas de MLCC (condensadores cerâmicos multicamadas) são por vezes utilizados no circuito de alimentação de um único CI de processador de aplicações que processa um grande volume de dados.
Com base nos antecedentes acima referidos e nas tendências técnicas dos smartphones, são necessárias as seguintes caraterísticas para os MLCC utilizados nas fontes de alimentação IC.
- Compacto com grande capacitância
- Baixa impedância
2. Como é que a área de montagem é reduzida com a utilização de condensadores de baixo ESL?
Utilizando da melhor forma os mais recentes condensadores compactos e de grande capacidade de baixa ESL como MLCC de alimentação, o número de MLCC pode ser reduzido para metade ou mais e a área de montagem ocupada pelos MLCC pode também ser grandemente reduzida, como se mostra na figura 2.
3. Tipos e caraterísticas dos condensadores de baixo ESL
A figura 3 mostra as ligações entre uma linha de alimentação de um CI/LSI e o MLCC utilizado nessa linha.
medida que as velocidades de comutação dos CI/LSI aumentam, estes CI/LSI tendem a tornar-se fontes de ruído.
São utilizados grandes números de MLCC como condensadores de derivação, como se mostra na figura 3, como contramedidas contra o ruído de alta frequência e para suprimir a flutuação da tensão de alimentação.
Na figura 3, a impedância gerada pelo circuito de corrente que passa do pino HOT do CI/LSI através do MLCC e depois regressa ao pino GND do CI/LSI é designada por impedância de circuito. Uma vez que a flutuação da tensão de alimentação que ocorre entre os pinos HOT e GND do CI/ /LSI depende da dimensão desta impedância do circuito, há uma necessidade crescente de suprimir a impedância do circuito para suprimir a flutuação da tensão de alimentação. A impedância do MLCC inclui uma parte desta impedância de circuito.
Normalmente, para suprimir a impedância do circuito, um grande número de MLCCs é ligado em paralelo para reduzir a impedância total através do efeito paralelo. A estrutura e o circuito equivalente dos MLCC aqui utilizados são apresentados na parte inferior da figura 3 e, embora sejam condensadores, têm também níveis mínimos de resistência série equivalente (ESR) e indutância série equivalente (ESL). Destes, a ESL é um fator que aumenta a impedância do circuito a altas frequências.
Conforme descrito abaixo, os capacitores de baixo ESL introduzidos neste artigo são um tipo de MLCC criado de forma a reduzir o ESL. A impedância de loop pode ser reduzida utilizando estes condensadores de baixo ESL como condensadores de bypass. Para além disso, o número de componentes utilizados em paralelo pode ser reduzido substituindo os MLCC por condensadores de baixo ESL, o que permite reduzir significativamente o número de componentes e a área de montagem.
As estruturas e caraterísticas dos condensadores de baixo ESL são explicadas a seguir. Existem dois tipos de condensadores de baixo ESL: Condensadores de inversão LW e condensadores de 3 terminais.
A área central da figura 4 mostra a estrutura de um condensador invertido LW. As direcções do comprimento (L) e da largura (W) são as inversas de um condensador de tipo normal, e os eléctrodos externos estão localizados nos lados longitudinais.
A ESL dos MLCCs tende geralmente a aumentar de acordo com a distância a que a corrente flui, e a diminuir à medida que a largura aumenta, pelo que a estrutura do condensador invertido LW permite obter uma ESL baixa encurtando a distância e aumentando a largura ao longo da qual a corrente flui.
Em seguida, descreve-se a estrutura de um condensador de 3 terminais (área inferior da figura 4). A estrutura interna dos eléctrodos de um condensador de 3 terminais tem eléctrodos de passagem HOT e eléctrodos de passagem GND alternadamente sobrepostos. Isto significa que quando uma corrente flui no sentido da polarização, a corrente flui num comprimento curto e numa largura larga, pelo que a ESL é baixa. Além disso, os capacitores de 3 terminais formam quatro rotas através das quais a corrente flui, e realizam uma ESL ainda mais baixa devido a este efeito paralelo. Além disso, a corrente flui para as direcções GND, ou seja, as direcções para cima e para baixo na figura abaixo. A indutância mútua gerada por esta corrente permite um baixo ESL.
O gráfico da figura 5 compara as caraterísticas de frequência de impedância de um MLCC normal com as dos tipos de condensadores de baixa ESL de um condensador invertido LW e de um condensador de 3 terminais. Cada tipo tem a mesma capacitância de 1 uF, pelo que apresentam aproximadamente as mesmas caraterísticas na banda de frequência abaixo dos respectivos pontos de auto-ressonância. No entanto, na banda de frequência acima do ponto de auto-ressonância, a impedância de cada tipo é muito diferente devido às diferenças na ESL.
Como se mostra na figura 5, o condensador invertido LW tem 1/3 da ESL e o condensador de 3 terminais 1/10 da ESL de um MLCC normal. No entanto, deve notar-se que esta comparação de desempenho é para condensadores autónomos e que os condensadores são efetivamente utilizados montados numa placa, pelo que a impedância do circuito inclui os componentes de indutância da placa e do orifício de passagem, para além do ESL do condensador.
4. Métodos de redução do número de componentes
A figura 6 compara as caraterísticas de impedância em frequência dos mais recentes condensadores compactos e de grande capacidade de baixa ESL e dos MLCC. A impedância a altas frequências de um condensador inversor LW (dimensão 1,0 × 0,6 mm; 4,3 uF) é igual à impedância de dois MLCC (dimensão 0,6 × 0,3 mm, 1 uF), pelo que dois MLCC podem ser substituídos por um único condensador inversor LW.
A impedância a altas frequências de um condensador de 3 terminais (dimensão de 1,0 × 0,5 mm; 4,3 uF) é igual à impedância de quatro ou mais MLCC. Teoricamente, portanto, quatro ou mais MLCCs podem ser substituídos por um único condensador de 3 terminais.
A figura 7 explica o princípio da redução do número de MLCCs através da utilização de condensadores de 3 terminais.
Por conveniência, este exemplo utiliza a estrutura simples de um orifício de passagem, cablagem e um condensador.
① mostra um exemplo de utilização de um MLCC como condensador de derivação. A impedância de circuito neste caso é o valor total da impedância devido aos componentes de indutância do orifício de passagem, da cablagem e do MLCC.
② mostra o caso em que um único MLCC é substituído por um único condensador de 3 terminais. O condensador de 3 terminais tem um ESL mais baixo do que o MLCC, pelo que o valor total da impedância do circuito é reduzido. Por conseguinte, é de esperar uma redução da flutuação da tensão devido à impedância do circuito.
A figura 8 mostra outro método de utilização de um condensador de 3 terminais.
Por exemplo, ao substituir os condensadores de derivação por um condensador de 3 terminais, assumindo a mesma impedância de circuito (o mesmo nível de flutuação de tensão) que para o MLCC, o desenho da cablagem pode ser aumentado numa quantidade equivalente à diferença na impedância do condensador. Este comprimento extra de cablagem pode ser utilizado para cobrir vários pinos da fonte de alimentação com um único condensador de 3 terminais. Neste caso, a utilização de um condensador de 3 terminais permite a combinação de vários condensadores de derivação para reduzir o número de componentes, como se mostra na figura 8. O comprimento da cablagem aumenta, pelo que a indutância da cablagem também aumenta, mas a indutância do condensador é reduzida, pelo que a impedância total não se altera.
No entanto, quando a cablagem é fina e/ou longa e excede a componente ESL do condensador, não há qualquer efeito. Por conseguinte, para reduzir a componente de indutância da cablagem, recomenda-se o aumento da largura da cablagem e a ligação de orifícios de passagem da fonte de alimentação na superfície de montagem do condensador de derivação para aumentar o efeito paralelo.
5. Exemplo de redução do número de condensadores
Atualmente, os desenhos de referência do CI de aplicação para alguns smartphones incluem 100 ou mais MLCCs de 1 uF de tamanho 0603 como condensadores de derivação da fonte de alimentação.
Destes, há casos em que 10 ou mais condensadores de derivação são utilizados em paralelo numa série de linhas de alimentação de núcleo. Além disso, recomenda-se também a utilização de dois ou três condensadores em paralelo em muitas outras linhas de alimentação eléctrica.
A figura 9 mostra um exemplo de redução do número de componentes, mudando esses capacitores de MLCCs para capacitores de baixa ESL. Ao utilizar condensadores de baixo ESL, como mostra a figura 9, verificou-se que o número de MLCCs pode ser reduzido de 100 no projeto original para apenas 32, mantendo a mesma impedância do circuito. Ou seja, o número total de MLCCs pode ser reduzido em 68. Além disso, ao mudar para capacitores de baixo ESL, a área ocupada pelo IC de aplicação e seus capacitores periféricos pode ser reduzida em aproximadamente 35 m㎡.
6. Conclusão
Ao otimizar a utilização dos mais recentes condensadores compactos e de grande capacidade de baixa ESL, o número de MLCC utilizados em fontes de alimentação IC pode ser reduzido para metade ou mais, permitindo uma redução significativa da área de montagem ocupada pelos MLCC. No futuro, tencionamos continuar a comercializar condensadores compactos e de grande capacidade de baixa ESL para contribuir para reduzir ainda mais o número de componentes e a área de montagem.
Escrito por: Kazuki Kato, Departamento de Desenvolvimento de Produtos 2, Fukui Murata Manufacturing Co., Ltd.
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