噪声对策指南

如何减少贴装面积？－低ESL电容器的活用方法－

2013/05/28

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

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。

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。

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。

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。

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㎡。