|
muRata--株式會社村田制作所 前言 近年來，以智能手機為代表的小型移動設備中，除了電話功能外，增加了數碼相機、游戲、網頁瀏覽、音樂播放器等許多功能，預計今后將有可能配備更多的功能。另外，今后還將普及LTE等高速數據通信功能，增加動畫等大容量的數據交流。 由于CPU的高速化和采用LTE通信，使得電力消耗變大，電池的容量也將隨之上升，因此安裝電子元器件的主要電路板將會出現越來越小的傾向。并且伴隨著多功能化，電路板上安裝的電子元器件的數量也會增加。特別是處理大容量數據的應用處理器IC電源，一個IC電源要使用幾十個片狀多層陶瓷電容器（Multi-Layer Ceramic Capacitor、以下稱MLCC）。 通過上述的背景和智能手機技術的趨勢來看，IC電源中使用的MLCC必須具備如下幾點要求： • 小型、容量大 • 阻抗低 作為IC電源用的MLCC來說如果正確使用于小型大容量的低ESL電容器中的話，可以減少MLCC的1/2的使用量，同時也大幅度減少了MLCC所占據的使用面積。 使用低ESL電容器的目的 圖1所示的是IC/LSI的電源線與所使用的MLCC的連接方式。 
IC/LSI開關速度的高速化使IC/LSI本身很容易變成噪聲源，為了解決這種高頻噪聲和抑制電源電壓波動，很多MLCC將被當做旁路電容來使用。 圖1中，從IC/LSI的HOT端子流出，經過MLCC，再回到IC/LSI的GND端子的電流回路的阻抗被稱為環路阻抗。IC/LSI的HOT-GND間發生的電源電壓波動，很大程度依存于這種環路阻抗。因此，抑制電源電壓的變動首先需要降低環路阻抗。此時， MLCC的阻抗就成為了環路阻抗的一部分了。 降低環路阻抗通常是并聯很多MLCC，總阻抗會因為并聯的效果而變小。這里使用的MLCC的結構和等效電路如右下的圖1所示，我所說的電容器是指因為安裝了等效串聯電阻（ESR）、等效串聯電感（ESL），當中的ESL大大增加了高頻率的環路阻抗。 本次介紹的低ESL電容器如后述一樣，是降低ESL制成的MLCC的一種。將這種低ESL電容器用作旁路電容，可降低環路阻抗。此外，用低ESL電容器代替MLCC，減少并聯使用的數量，從而可大幅減少元件數量和貼裝面積。 低ESL電容器的種類和優點 接下來解說下ESL電容器的構造和優點。低ESL電容器分為長寬逆轉電容器和3端子電容器2類。 長寬逆轉電容器的構造如圖2中間所示。與一般的MLCC的L縱向、W橫向相反，縱向方向有外部電極。一般來說，MLCC的ESL會根據電流流過的距離產生相應的增加、幅度變大會有縮小的傾向，因此長寬逆轉電容器的結構是電流流過的距離短、幅度大，從而實現了低ESL。 接下來是3端子電容器的構造如圖2最下方所示。3端子電容器的內部電極是由HOT過孔電極和GND過孔電極交替疊加的構造。因此，當電流流向旁路方向時，電流的流經距離短，幅度變大，因此ESL變低。此外，3端子電容器電流流經4個方向，因為這種并聯效果從而實現了更低的ESL。特別是電流流向GND方向、和圖的上下方向。因為這樣的電流和產生的互感實現了低ESL。
圖3所示的是一般的MLCC和低ESL電容器，長寬逆轉電容器和3端子電容器的阻抗頻率特性的比較。不論哪個型號的容量都為1µF，因此自諧振點以下的頻帶顯示出的特性基本相同，而自諧振點以上的頻帶則會根據ESL的不同，阻抗會有很大差異，長寬逆轉電容器ESL是一般性的MLCC的1/3，3端子電容器ESL是一般MLCC的1/10。但是值得注意的是，這是單獨比較電容器的性能，實際上因為在電路板上面安裝使用的關系，環路阻抗除了電容器的ESL以外，還要增加電路板和過孔的電感的成分。
減少元件數的方法 圖4是最新的小型大容量低ESL電容器和MLCC的阻抗頻率特性的比較事例。
長寬逆轉電容器（1.0 x 0.6mm尺寸、4.3µF）的高頻情況下的阻抗和2個MLCC(0.6 x 0.3mm、1µF)具備同等的阻抗，因此可以用2個MLCC代替1個長寬逆轉電容器。 3端子電容器(1.0 x 0.5mm尺寸、4.3µF)的高頻情況下的阻抗同等于4個MLCC的阻抗，因此可以用4個MLCC代替1個3端子電容器。 圖5中，根據3端子電容器的使用，來說明減少MLCC的原理。這里為了方便起見，只考慮過孔、走線以及電容器的簡單結構。
（1） 旁路電容中使用MLCC的事例。此時的環路阻抗會根據過孔和走線以及MLCC的電感成分達到阻抗的總值。 （2） 為用1個MLCC來替換一個3端子電容器。3端子電容器比MLCC的ESL低，所以環路阻抗的總值也會減少。因此，可以抑制因環路阻抗導致的電壓的變動。 另外，再說明下3端子電容器的另一個使用方法。如用旁路電容來代替3端子電容器時，如果和MLCC具有同樣的環路阻抗（電壓波動水平相同）就行的話，不僅僅電容器阻抗的區別，還能設計成長的走線。（圖5（3））。利用這種走線的長度，可以將幾個電源端子集合成一個3端子電容器組合。于是就變成像圖6一樣，3端子電容器將許多的旁路電容器集合起來，從而減少了元件數量。此時走線的長度使得走線部分的阻抗增加，電容器的阻抗減少，但是總阻抗卻不會改變。
但是當走線細而長時，走線的電感為加大電容器阻抗的差距，而降低了效果。因此，為了減少走線的電感成分，走線的寬度應變大，旁路電容實際安裝的面積，推薦連接電源強化并聯效果。 阻抗的測定結果 現在，據記載一些面向智能手機的IC應用的參考設計中，有超過100個的0201尺寸、1µF的MLCC來作為電源用的旁路電容。 其中，推薦一些核心電源線中并聯使用了10個以上的旁路電容、其他很多的電源線中也并聯使用了2到3個電容器。 將這些電容器從MLCC更換成低ESL電容器，在減少個數的同時，環路阻抗的測試結果如圖7所示。因為使用了低ESL電容器的關系，既維持了相同的環路阻抗又將MLCC的個數從原來的100個減少到32個。也就是說，總共減少了68個MLCC。此外，更換成低ESL電容器還能使IC應用和它周圍的電容器所占據的面積減少35mm2 。
結語 正確使用最新的小型大容量的低ESL電容器的話，IC電源用的MLCC的數量能夠減少1/2，還能大幅度減少MLCC所占據的貼裝面積。今后小型大容量的低ESL電容器將被商品化，為削減元件數和減少貼裝面積做出貢獻。 |
