雜訊抑制濾波器指南

如何減少安裝面積？-使用低ESL電容器的方法-

05/28/2013

1.簡介

最近，在智慧型手機等小型行動裝置的電話功能中加入了數位相機、遊戲、網頁瀏覽、音樂播放等許多功能，預計未來還會加入更多元的功能。此外，預計 LTE 等高速資料通訊功能也會普及，電影等大容量資料的交換也會增加（見圖 1）。

隨著 CPU 速度的提升和 LTE 通訊的採用，耗電量和電池容量都在增加，因此安裝電子元件的主機板也趨向小型化。

此外，隨著功能愈來愈先進，安裝在電路板上的電子元件數量也有增加的趨勢。

特別是在處理大量資料的單一應用處理器 IC 的電源電路中，有時需要使用數十個 MLCC（多層陶瓷電容）。

基於上述背景及智慧型手機的技術趨勢，IC 電源供應器中使用的 MLCC 必須具備下列特性。

緊湊型大電容
低阻抗

2.使用低ESL電容如何減少安裝面積？

如圖 2 所示，充分利用最新的小型大容量低 ESL 電容作為電源 MLCC，可以將 MLCC 的數量減少一半或更多，而且還可以大大縮小 MLCC 所佔的安裝面積。

3.低ESL電容的類型和特點

圖 3 顯示 IC/LSI 電源線與該電源線中使用的 MLCC 之間的連接。

隨著 IC/LSI 切換速度的增加，這些 IC/LSI 傾向於成為雜訊來源。

如圖 3 所示，大量 MLCC 用作旁路電容，以對抗高頻雜訊和抑制電源電壓波動。

在圖 3 中，從 IC/LSI 的 HOT 引腳經過 MLCC，然後再回到 IC/LSI 的 GND 引腳的電流迴路所產生的阻抗稱為迴路阻抗。由於 IC/LSI 的 HOT 引腳和 GND 引腳之間發生的電源電壓波動取決於此迴路阻抗的大小，因此越來越需要抑制迴路阻抗，以抑制電源電壓波動。MLCC 的阻抗包含此迴路阻抗的一部分。

通常，為了抑制迴路阻抗，會將大量的 MLCC 平行連接，藉由平行效應來降低總阻抗。這裡使用的 MLCC 的結構和等效電路如圖 3 的下半部分所示，雖然它們是電容，但也有微小的等效串聯電阻 (ESR) 和等效串聯電感 (ESL)。其中，ESL 是增加高頻迴路阻抗的因素。

如下所述，本文介紹的低 ESL 電容是一種以降低 ESL 的方式製造的 MLCC。使用這些低 ESL 電容作為旁路電容，可以降低迴路阻抗。此外，使用低 ESL 電容取代 MLCC，可減少並聯使用的元件數量，從而大幅減少元件數量和安裝面積。

低 ESL 電容的結構與特性說明如下。低ESL電容有兩種類型：LW 反向電容和 3 端子電容。

圖 4 的中心區域顯示 LW 反向電容的結構。長度 (L) 和寬度 (W) 方向與一般型電容相反，外部電極位於長度方向的兩側。

MLCC 的 ESL 通常會隨著電流流過的距離而增加，並隨著寬度變寬而降低，因此 LW 反向電容結構可透過縮短電流流過的距離和擴大寬度來實現低 ESL。

接下來，我們將介紹 3 端子電容器的結構 (圖 4 下方區域)。3 端子電容的內部電極結構具有交替重疊的 HOT 通電極和 GND 通電極。這表示當電流流向偏壓方向時，電流流過的長度短而寬度大，因此 ESL 很低。此外，三端電容形成了四條電流流經的路徑，由於這種平行效應，實現了更低的 ESL。此外，電流會流向 GND 方向，也就是下圖中的上下方向。此電流產生的互感實現了低 ESL。

圖 5 比較了一般 MLCC 與 LW 反向電容和 3 端子電容等低 ESL 電容類型的阻抗頻率特性。每種類型都具有相同的 1 uF 電容，因此它們在各自自共振點以下的頻段中，表現出大致相同的特性。但是，在自共振點以上的頻段中，由於 ESL 的差異，每種類型的阻抗有很大的不同。

如圖 5 所示，LW 反向電容的 ESL 是普通 MLCC 的 1/3，3 端子電容的 ESL 是普通 MLCC 的 1/10。然而，需要注意的是，此性能比較是針對獨立電容而言，而電容實際上是安裝在電路板上使用，因此迴路阻抗除了電容 ESL 之外，還包括電路板和通孔電感元件。

4.減少元件數量的方法

圖 6 比較了最新的小型大容量低電壓反向電容和 MLCC 的阻抗頻率特性。一個 LW 反向電容 (1.0 × 0.6 mm 大小；4.3 uF) 在高頻下的阻抗等於兩個 MLCC (0.6 × 0.3 mm 大小，1 uF) 的阻抗，因此兩個 MLCC 可以由一個 LW 反向電容取代。
三端電容 (1.0 × 0.5 mm 大小；4.3 uF) 在高頻下的阻抗等於四個或更多 MLCC 的阻抗。因此，理論上，四個或更多 MLCC 可由單個 3 端子電容取代。

圖 7 解釋了使用 3 端子電容來減少 MLCC 數量的原理。

為了方便起見，本範例使用簡單的通孔、接線和電容器結構。

① 顯示使用 MLCC 作為旁路電容的範例。這種情況下的迴路阻抗是由於通孔、配線和 MLCC 的電感分量而產生的阻抗總值。
② 顯示以單個三端電容取代單個 MLCC 的情況。3 端子電容的 ESL 低於 MLCC，因此總環路阻抗值會降低。因此，迴路阻抗造成的電壓波動可望減少。

圖 8 顯示使用 3 端子電容器的另一種方法。

舉例來說，當使用 3 端子電容取代旁路電容時，假設迴路阻抗 (電壓波動等級相同) 與 MLCC 相同，則佈線設計可延長相當於電容阻抗差異的長度。此額外的配線長度可用於使用單一 3 端子電容來覆蓋多個電源引腳。在這種情況下，使用 3 端子電容可以結合多個旁路電容來減少元件的數量，如圖 8 所示。接線長度增加，因此接線電感也會增加，但電容電感減少，因此總阻抗不會改變。

然而，當配線很細及/或很長，超過電容的 ESL 分量時，就沒有效果。因此，為了降低配線電感分量，建議增加配線寬度，並在旁路電容安裝面上連接電源供應器通孔，以增加並聯效果。

5.減少電容數量的範例

目前，某些智慧型手機應用 IC 的參考設計包含 100 個或更多 0603 尺寸、1 uF MLCC 作為電源旁路電容。

其中，有在多條核心電源線中並聯使用 10 個或更多旁路電容的情況。此外，還建議在許多其他電源線中並聯使用 2 或 3 個電容。

圖 9 所示為將這些電容從 MLCC 改為 lowESL 電容，以減少元件數量的範例。透過使用如圖 9 所示的 lowESL 電容，我們發現 MLCC 的數量可以從原始設計中的 100 個減少到只有 32 個，同時保持相同的迴路阻抗。也就是說，MLCC 的總數可以減少 68 個。此外，透過改用低ESL電容，應用IC及其周邊電容所佔的面積可減少約35 m㎡。