セラミックコンデンサ（キャパシタ）問題解決事例
3端子コンデンサのノイズ除去メカニズムとその使い方

チップEMI除去フィルタNFMシリーズは、同サイズの積層コンデンサに比べて、200MHz以上の周波数域で挿入損失（Insertion Loss : I.L.）が大きく、その差はNFM18HCシリーズで20dB以上（ESL換算で約1/20）に昇る極めて高性能なEMI除去フィルタです。
またこの部品は、実際にノイズ対策に用いる場合に有利となる各種の特長を備えています。
この部品の性能を十分発揮させるために、この部品の特長をよくご理解いただいた上でご使用いただきたいと思います。
ここではNFMシリーズの挿入損失を高める仕組みと、各種の特長をご紹介いたします。

ノイズ源（IC）から伝導したノイズ電流をコンデンサ（Cap）で除去するとは、ノイズ伝導経路の途中でノイズ源にノイズ電流を還流すると言うことです。
ノイズ放射アンテナになりやすいケーブルにノイズ電流が流れますと大きなEMIノイズが放射されますので、ケーブルなどに伝導する前にコンデンサでノイズ電流をノイズ源に戻してケーブルに伝導しないようにします。
そうしたメカニズムより、コンデンサの特性や線路のインピーダンスなどが大きく関わってきます。

もう少し詳しく説明をしますと、ノイズ源（IC）から伝導したノイズ電流（I_IC）を、コンデンサ（Cap）を挿入することで、伝導経路の途中でノイズ源にノイズ電流を還流することができます。
そうしたことで、ケーブルに伝導する電流（I_EMI）が小さくなりEMIノイズが除去されます。下図をご参照ください。

NFMシリーズは、下図の左側に示す4つの効果を組み合わせて大きな挿入損失を実現しています。
またこの部品には、ノイズ対策に用いる上で有利となる、下図の右側に示す3つの利点があります。
以下の章で、これらの特長について説明します。

仮にグランドが1箇所だけの3端子コンデンサ（このような電極構造の3端子コンデンサは存在しません）を作りますと、下の右図のようになります。
3端子コンデンサは、ノイズをバイパスする経路のインダクタンスの半分をノイズの経路に直列の方向に変換することのできる電極構造で、コンデンサ本体や実装ランドで発生するインダクタンスを半減する効果があります（挿入損失では6dBの効果）。
これに加え3端子コンデンサではノイズが貫通する仕様となっているので、コンデンサ本体に発生するインダクタンスも、ほぼ半減されます（約6dBの効果）。
これらの効果が足し合わさり、12dBの改善効果を得ることになります。

3端子構造でESLが半減（＝6dB）、貫通仕様の効果でESLはさらに半減（＝6dB）合わせて12dBの効果

1608Mサイズの積層コンデンサとNFMを比較した場合、上図のようにMSL中央からviaまでの距離が半分以下になります。
さらにバイパス方向に対するコンデンサのボディの幅^※は、積層コンデンサが0.8mmであるのに対し、NFMでは1.6mmと倍になり、バイパス方向のインダクタンスも若干減ります。
viaの部分のインダクタンスは変わらないのですが、上記の効果により、全体のインダクタンスは半分以下、すなわち6dB以上の改善効果が見込めます。
実際に測定してみますと、積層コンデンサと、片側のグランド電極を用いてvia1本で接続したNFMでは、このように挿入損失特性が違います。

グランド2箇所の並列効果でESLは半減（＝6dB）、左右の相互作用でさらに半減（＝6dB）、合わせて12dBの効果。

NFMではグランド電極が左右に2箇所あるため、グランドへのバイパス経路が2系統あります。
したがって、回路的には2系統の効果によりトータルインダクタンスは半減します（6dBの効果）。
ところが実際に測定しますと、挿入損失はもっと大きく改善されています（実際には約12dBの効果）。
これは、左右に流れる電流の相互誘導効果（相互インダクタンス）により、各ESLが小さくなっているものと考えられます。
実際に測定してみますと、NFMのグランドが片側のときと両側のときで、挿入損失特性は以下のように変わります。

半径が1mmの円筒型の配線をギャップゼロで突き合わせて逆向きの電流を流したときの、片側の配線の外部インダクタンスの計算結果は上図のようになります。配線の長さが直径よりも短い領域では相互インダクタンスが大きくなり、総合インダクタンス（L_NFM+L_and）が小さくなる傾向があります。

前ページのインダクタンスの削減効果を、挿入損失の改善効果で表しますと、上図のようになります。
線の長さが1mm以下など、極端に「太く短い」線の場合に、左右に流れる電流の相互誘導効果によるインダクタンス削減効果が無視できなくなります。
1608サイズのNFMでは8dB程度の効果が表れてもおかしくないのですが、実際の部品の外形は円筒状ではないこと、実際の基板ではviaのインダクタンスなどの、この部分以外のインダクタンスがあるなどの影響により、今回の測定結果では6dB程度（11ページの12dBのうちの半分）の効果にとどまったものと思われます。

3端子コンデンサを非貫通で使用する場合は、部品内部から電流を流す効果を得ることができますので、積層コンデンサを2個対向にするよりもさらに効果が大きくなります。
ただし、3端子コンデンサを貫通で使用するときと比較しますと、効果は小さくなります。これは貫通仕様の場合は電流が全て3端子コンデンサの内部を通過するためです。

積層コンデンサを2個対向にするよりも、3端子コンデンサを非貫通で使用しますと、挿入損失が約3dB大きくなりました。
3端子コンデンサを非貫通で使用するよりも、3端子コンデンサを貫通で使用しますと、挿入損失が約10dB大きくなりました。

NFMの左右にグランドのviaを設ける代わりに、真下に設けた場合は、左右の電流の相互誘導効果の他に、右図のように上下の電流の相互誘導効果が発生し、この部分のESLはさらに小さくなります。
さらに、部品からviaまでのパターンのインダクタンスも無くすことができます。
このようにプリント基板より上の部分のインダクタンスは小さくなるのですが、反面、viaの数が半分になるので、viaのインダクタンスは2倍になります。viaの長さによっては上記の効果と相殺される可能性があります。

<測定結果>

さらに、推奨ランドと部品の左右にviaを設けた場合、部品真下にviaを設けた場合の挿入損失の違いを見ました。
この場合は、推奨ランドで最も大きな挿入損失が得られました。

NFM18HCの場合は最終的にviaの数を3個（推奨ランド）とすることで、大きな挿入損失を得ています。
NFMシリーズではこのように各種の効果を積み重ねることにより、積層コンデンサに比べて極めて大きな挿入損失を実現しています。

<MPUの低電圧化に伴い、電源インピーダンスが低下している>

このため、低インピーダンス回路におけるノイズ除去効果の必要性が高まっています。

LSIの電源回路では電源インピーダンスを1Ω以下の小さな値に抑える必要があります。このような低インピーダンス回路では、積層コンデンサでは十分大きなノイズ除去効果を発揮しにくいことが考えられます。

先に示した積層コンデンサの挿入損失特性の測定結果から、入出力インピーダンスを変換する計算をしますと、上図のようになります。
0.5Ωのような低いインピーダンスで使用する場合は、積層コンデンサは効果がほとんどない周波数が表れる（100～300MHz付近）ことがわかります。
このため、数10個のコンデンサを並べて使ったり、静電容量を変えた（共振周波数の違う）コンデンサを並べて使う必要が出てきます。

<多層基板では電源プレーン上を拡散するノイズが問題>

コンデンサによるノイズ除去は、接続するパターンの形状で効果が大きく変わります。

よく知られているように、ノイズの経路からコンデンサまで、コンデンサからviaまで接続するパターンのインダクタンスにより、コンデンサの挿入損失は大きく変化します。したがって、コンデンサを接続するパターンを非常に注意深く設計する必要があります。

NFM18HCの場合は最終的にviaの数を3個（推奨ランド）とすることで、大きな挿入損失を得ています。
NFMシリーズではこのように各種の効果を積み重ねることにより、積層コンデンサに比べて極めて大きな挿入損失を実現しています。
NFM真下にviaを設けられない場合は、両側のviaを増やしていただくことで挿入損失を大きくすることができます。
この場合、できるだけ部品に近い場所に設けることと、両側同じvia数にすることを推奨させていただきます。

チップEMI除去フィルタNFMシリーズの挿入損失を高める仕組みと、実際にノイズ対策に用いる際に有効となる特長を紹介しました。
部品の性能を十分引き出して効果的なノイズ対策を行っていただくために、これらの特長をご理解いただき、部品を使用する上でご配慮いただきたいと思います。

当記事で紹介しているNFMシリーズの詳細は下記をご覧ください。