噪声对策指南

如何减少贴装面积?-低ESL电容器的活用方法-

1.前言

近年,以智能手机为代表的小型移动设备中除电话功能外,还增加了数码相机、游戏、浏览网页、音乐播放等多项功能,可以设想今后还将会搭载越来越多的功能。此外,LTE等高速数据通信功能今后也将普及,视屏等大容量数据的转换也会不断增加。(请参照图1)
随着采用高速化的CPU以及LTE通信导致耗电量不断增加,由于电池容量的提高,搭载了电子元器件的主板体积出现减小的倾向。
另外,伴随着高性能化,安装在主板上的电子元器件数目也有不断增加的趋势。
特别是处理大容量数据的被称为应用处理器的IC电源中,平均一个IC使用了大约数十个MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor)。
在上述背景及智能手机技术趋势下,IC电源所使用的MLCC要求具有以下特点。

  • 小型、大容量 
  • 低阻抗
图1:智能手机的未来

2.利用低ESL电容器减少贴装面积

作为IC电源用的MLCC来说如果正确使用于小型大容量的低ESL电容器中的话,可以减少图2中MLCC的1/2的使用量,同时也大幅度减少了MLCC所占据的使用面积。
 

图2:利用低ESL电容器减少贴装面积

3.低ESL电容器的种类及优势

图3为所示的是IC/LSI的电源线与所使用的MLCC的连接方式。
IC/LSI开关速度的高速化使IC/LSI本身很容易变成噪声源,为了解决这种高频噪声和抑制电源电压波动,如图3所示,很多MLCC将被当做旁路电容来使用。
在图3中,从IC/LSI的HOT端子开始,途径MLCC,直至IC/LSI的GND端子,电流回路所产生的阻抗我们在此称为回路阻抗。IC/LSI的HOT-GND之间所产生的电源电压波动依赖于此回路阻抗的大小。为此,为了控制电源电压波动,首先需要降低回路阻抗。此时,MLCC的阻抗就成为回路阻抗的一部分。
为减小回路阻抗,通常需要将多个MLCC并列连接,根据并联效果减小总阻抗。此次所使用的MLCC其构造及等效回路如图3右下角所示,虽为电容器,等效串联电阻:ESR,等效串联电感:也有ESL,而这其中的ESL是增大高频回路电感的主要原因。
本次所介绍的低ESL电容器如后面所述,是为降低ESL而制成的MLCC的一种。通过将低ESR电容器作为旁路电容器来使用从而减小回路阻抗。此外,MLCC被ESR电容器替换后可以减少并联使用数目,从而大幅减少数量以及贴装面积。

图3:IC/LSI电源线与MLCC的链接

接着就低ESL电容器的构造及优势进行说明。低ESL电容器有2种,即长宽逆转电容器和3端子电容器。
长宽逆转电容器的结构如图4中间部分所示。与一般型号的电容器的L纵向、W宽度方向相反,在纵向方向有外部电极。
通常情况下MLCC的ESL随着电流流动距离长度的加长而增加,宽幅增大时减小,因此在长宽逆转电容器的构造中通过缩短电流距离、增大走线宽度来实现低ESL。
接下来就3端子电容器的构造进行说明(图4最下方)。在3端子电容器内部电极构造中,HOT贯通电极与GND贯通电极相互交替叠加。因此,当电流朝绕行方向流动时,电流距离缩短,走线幅度增长,从而实现了低ESL。此外,3端子电容器的电流流动路线由4条构成,通过并列效果,更进一步实现了低ESL。还有,电流沿着GND方向、画面的上下方向流动。通过电流产生的相互电感可进一步获得低ESL效果。

图4:低ESL电容器的种类及优势

图5为普通的MLCC与低ESL电容器的长宽逆转电容器、3端子电容器的频率-阻抗特性比较。不论种类,其静电容量都为1uF,因此,共振点以下的频带内其几乎显现出相同的特性,但共振点以上的频带内由于ESL的不同而显现出很大差异。
如图5所示,长宽逆转电容器的ESL为普通MLCC的1/3,3端子电容器的ESL为普通MLCC1/10左右。但需要注意的是这是电容器本身的性能比较,然而实际情况下,是贴装在主板上使用,所以除电容器的ESL以外,还要考虑主板和组合的电感成分。

图5:不同种类的阻抗频率特性

4.减少元件的方法

图6为小型大容量的低ESL电容器与MLCC阻抗频率特性比较。长宽逆转电容器(1.0×0.6mm尺寸、4.3uF)高频情况下的阻抗与2个MLCC(0.6×0.3mm、1uF)阻抗相同,因此2个MLCC可以用1个长宽逆转电容器替换。
3端子电容器(1.0×0.5mm尺寸、4.3uF)高频情况下的阻抗与4个以上的MLCC阻抗相同,因此从理论上来说,4个以上的MLCC可以用1个3端子电容器替换。

图6:减少元件的方法

图7就使用3端子电容导致的MLCC削减的原理进行说明。
为方便起见,在此我们只考虑过孔、走线及电容器的简单结构。
(1)旁路电容中使用MLCC的事例。此时的回路阻抗会根据过孔和走线以及MLCC的电感成分达到阻抗的总值。
(2)为用1个MLCC来替换一个3端子电容器。3端子电容器比MLCC的ESL低,所以回路阻抗的总值也会减少。因此,可以抑制因回路阻抗导致的电压的变动。

图7:回路阻抗的比较

图8为3端子电容器的另一使用方法。
假设将旁路电容器换成3端子电容器,此时,如果可以与MLCC同等的回路阻抗(电压波动水平相等)的话,则可仅仅将电容器的电感的差分、走线设计得长点,增加阻抗。当利用这一线路的长度,可以用1个3端子电容器将多个电源端子覆盖。这样,如图8所示,可通过3端子电容器将数个旁路电容器汇集以减少元件数。此时,线路长度增长,线路部位的电感增大,但电容器变小,所以总阻抗并没有发生变化。
不过,走线宽度如果过细或过长,超过电容器ESL成分的话,则效果全无。为此,为降低走线的电感成分,建议加宽走线的宽度或者在旁路电容器贴装面上与电源组合,提高并列效果。

图8:通过使用3端子电容器来减少MLCC个数的示意图

5.电容器元件数目的减少案例

如今,在面向一部分智能手机的应用IC的参考设计中,据载有100个以上的0603尺寸、1uF的MLCC用于电源的旁路电容器。
其中,在核心电源线路上并联使用了10个以上的旁路电容器。此外的许多电源线路上也推荐2、3个电容器的并联使用。
图9所示是把这些电容器从MLCC转换为低ESL电容器,减少原件数目的例子。从图9中我们可以得知,通过使用低ESL电容器,可在维持同等回路阻抗的同时,使原设计中MLCC的元件数目从100个减少至32个。也就是说,总共可能削减68个MLCC。另外,通过转换为低ESL电容器,可以把应用IC与其周围的电容器所占面积减少约35m㎡。

图9:元件数目削减与实际安装面积削减

6.结语

最合理地使用很新的小型大容量低ESL电容器,不但能把使用IC电源的MLCC元件数目减少至1/2以下,还能大幅度削减MLCC所占的实际安装面积。今后我们也将继续推进小型大容量低ESL电容器的商品化,不断为元件数目的削减和实际安装面积削减贡献力量。

 

作者:株式会社福井村田制作所第2电容器商品开发部加藤一喜

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