低ESL電容器減少貼裝面積設(shè)計(jì)攻略
前言
近年來，以智能手機(jī)為代表的小型移動(dòng)設(shè)備中，除了電話功能外，增加了數(shù)碼相機(jī)、游戲、網(wǎng)頁瀏覽、音樂播放器等許多功能，預(yù)計(jì)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(shù)據(jù)通信功能，增加動(dòng)畫等大容量的數(shù)據(jù)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(huì)出現(xiàn)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(shù)量也會(huì)增加。特別是處理大容量數(shù)據(jù)的應(yīng)用處理器IC電源，一個(gè)IC電源要使用幾十個(gè)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(jī)技術(shù)的趨勢(shì)來看，IC電源中使用的MLCC必須具備如下幾點(diǎn)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M(fèi)LCC的1/2的使用量，同時(shí)也大幅度減少了MLCC所占據(jù)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(guān)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(dòng)，很多MLCC將被當(dāng)做旁路電容來使用。
圖1中，從IC/LSI的HOT端子流出，經(jīng)過MLCC，再回到IC/LSI的GND端子的電流回路的阻抗被稱為環(huán)路阻抗。IC/LSI的HOT-GND間發(fā)生的電源電壓波動(dòng)，很大程度依存于這種環(huán)路阻抗。因此，抑制電源電壓的變動(dòng)首先需要降低環(huán)路阻抗。此時(shí)， MLCC的阻抗就成為了環(huán)路阻抗的一部分了。
降低環(huán)路阻抗通常是并聯(lián)很多MLCC，總阻抗會(huì)因?yàn)椴⒙?lián)的效果而變小。這里使用的MLCC的結(jié)構(gòu)和等效電路如右下的圖1所示，我所說的電容器是指因?yàn)榘惭b了等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL），當(dāng)中的ESL大大增加了高頻率的環(huán)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(huán)路阻抗。此外，用低ESL電容器代替MLCC，減少并聯(lián)使用的數(shù)量，從而可大幅減少元件數(shù)量和貼裝面積。
低ESL電容器的種類和優(yōu)點(diǎn)
接下來解說下ESL電容器的構(gòu)造和優(yōu)點(diǎn)。低ESL電容器分為長寬逆轉(zhuǎn)電容器和3端子電容器2類。
長寬逆轉(zhuǎn)電容器的構(gòu)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(huì)根據(jù)電流流過的距離產(chǎn)生相應(yīng)的增加、幅度變大會(huì)有縮小的傾向，因此長寬逆轉(zhuǎn)電容器的結(jié)構(gòu)是電流流過的距離短、幅度大，從而實(shí)現(xiàn)了低ESL。
接下來是3端子電容器的構(gòu)造如圖2最下方所示。3端子電容器的內(nèi)部電極是由HOT過孔電極和GND過孔電極交替疊加的構(gòu)造。因此，當(dāng)電流流向旁路方向時(shí)，電流的流經(jīng)距離短，幅度變大，因此ESL變低。此外，3端子電容器電流流經(jīng)4個(gè)方向，因?yàn)檫@種并聯(lián)效果從而實(shí)現(xiàn)了更低的ESL。特別是電流流向GND方向、和圖的上下方向。因?yàn)檫@樣的電流和產(chǎn)生的互感實(shí)現(xiàn)了低ESL。
圖3所示的是一般的MLCC和低ESL電容器，長寬逆轉(zhuǎn)電容器和3端子電容器的阻抗頻率特性的比較。不論哪個(gè)型號(hào)的容量都為1µF，因此自諧振點(diǎn)以下的頻帶顯示出的特性基本相同，而自諧振點(diǎn)以上的頻帶則會(huì)根據(jù)ESL的不同，阻抗會(huì)有很大差異，長寬逆轉(zhuǎn)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(dú)比較電容器的性能，實(shí)際上因?yàn)樵陔娐钒迳厦姘惭b使用的關(guān)系，環(huán)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(shù)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(zhuǎn)電容器（1.0 x 0.6mm尺寸、4.3µF）的高頻情況下的阻抗和2個(gè)MLCC(0.6 x 0.3mm、1µF)具備同等的阻抗，因此可以用2個(gè)MLCC代替1個(gè)長寬逆轉(zhuǎn)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(gè)MLCC的阻抗，因此可以用4個(gè)MLCC代替1個(gè)3端子電容器。
圖5中，根據(jù)3端子電容器的使用，來說明減少M(fèi)LCC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(jié)構(gòu)。
（1） 旁路電容中使用MLCC的事例。此時(shí)的環(huán)路阻抗會(huì)根據(jù)過孔和走線以及MLCC的電感成分達(dá)到阻抗的總值。
（2） 為用1個(gè)MLCC來替換一個(gè)3端子電容器。3端子電容器比MLCC的ESL低，所以環(huán)路阻抗的總值也會(huì)減少。因此，可以抑制因環(huán)路阻抗導(dǎo)致的電壓的變動(dòng)。
另外，再說明下3端子電容器的另一個(gè)使用方法。如用旁路電容來代替3端子電容器時(shí)，如果和MLCC具有同樣的環(huán)路阻抗（電壓波動(dòng)水平相同）就行的話，不僅僅電容器阻抗的區(qū)別，還能設(shè)計(jì)成長的走線。（圖5（3））。利用這種走線的長度，可以將幾個(gè)電源端子集合成一個(gè)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(shù)量。此時(shí)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(huì)改變。
但是當(dāng)走線細(xì)而長時(shí)，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(yīng)變大，旁路電容實(shí)際安裝的面積，推薦連接電源強(qiáng)化并聯(lián)效果。
阻抗的測(cè)定結(jié)果
現(xiàn)在，據(jù)記載一些面向智能手機(jī)的IC應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)中，有超過100個(gè)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(lián)使用了10個(gè)以上的旁路電容、其他很多的電源線中也并聯(lián)使用了2到3個(gè)電容器。
將這些電容器從MLCC更換成低ESL電容器，在減少個(gè)數(shù)的同時(shí)，環(huán)路阻抗的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。因?yàn)槭褂昧说虴SL電容器的關(guān)系，既維持了相同的環(huán)路阻抗又將MLCC的個(gè)數(shù)從原來的100個(gè)減少到32個(gè)。也就是說，總共減少了68個(gè)MLCC。此外，更換成低ESL電容器還能使IC應(yīng)用和它周圍的電容器所占據(jù)的面積減少35mm2 。
結(jié)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(shù)量能夠減少1/2，還能大幅度減少MLCC所占據(jù)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(shù)和減少貼裝面積做出貢獻(xiàn)。
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