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      噪聲對策指南

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      近年,以智能手機為代表的小型移動設備中除電話功能外,還增加了數碼相機、遊戲、浏覽網頁、音樂播放等多項功能,可以設想今後還将會搭載越來越多的功能。此外,LTE等高速數據通信功能今後也将普及,視屏等大容量數據的轉換也會不斷增加。(請參照圖1)
      随着采用高速化的CPU以及LTE通信導緻耗電量不斷增加,由于電池容量的提高,搭載了電子元器件的主闆體積出現減小的傾向。
      另外,伴随着高性能化,安裝在主闆上的電子元器件數目也有不斷增加的趨勢。
      特别是處理大容量數據的被稱為應用處理器的IC電源中,平均一個IC使用了大約數十個MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor)。
      在上述背景及智能手機技術趨勢下,IC電源所使用的MLCC要求具有以下特點。

      • 小型、大容量 
      • 低阻抗
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      圖1:智能手機的未來

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      作為IC電源用的MLCC來說如果正确使用于小型大容量的低ESL電容器中的話,可以減少圖2中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。
       

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      圖2:利用低ESL電容器減少貼裝面積

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      圖3為所示的是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,如圖3所示,很多MLCC将被當做旁路電容來使用。
      在圖3中,從IC/LSI的HOT端子開始,途徑MLCC,直至IC/LSI的GND端子,電流回路所産生的阻抗我們在此稱為回路阻抗。IC/LSI的HOT-GND之間所産生的電源電壓波動依賴于此回路阻抗的大小。為此,為了控制電源電壓波動,首先需要降低回路阻抗。此時,MLCC的阻抗就成為回路阻抗的一部分。
      為減小回路阻抗,通常需要将多個MLCC并列連接,根據并聯效果減小總阻抗。此次所使用的MLCC其構造及等效回路如圖3右下角所示,雖為電容器,等效串聯電阻:ESR,等效串聯電感:也有ESL,而這其中的ESL是增大高頻回路電感的主要原因。
      本次所介紹的低ESL電容器如後面所述,是為降低ESL而制成的MLCC的一種。通過将低ESR電容器作為旁路電容器來使用從而減小回路阻抗。此外,MLCC被ESR電容器替換後可以減少并聯使用數目,從而大幅減少數量以及貼裝面積。

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      圖3:IC/LSI電源線與MLCC的鍊接

      接着就低ESL電容器的構造及優勢進行說明。低ESL電容器有2種,即長寬逆轉電容器和3端子電容器。
      長寬逆轉電容器的結構如圖4中間部分所示。與一般型号的電容器的L縱向、W寬度方向相反,在縱向方向有外部電極。
      通常情況下MLCC的ESL随着電流流動距離長度的加長而增加,寬幅增大時減小,因此在長寬逆轉電容器的構造中通過縮短電流距離、增大走線寬度來實現低ESL。
      接下來就3端子電容器的構造進行說明(圖4最下方)。在3端子電容器内部電極構造中,HOT貫通電極與GND貫通電極相互交替疊加。因此,當電流朝繞行方向流動時,電流距離縮短,走線幅度增長,從而實現了低ESL。此外,3端子電容器的電流流動路線由4條構成,通過并列效果,更進一步實現了低ESL。還有,電流沿着GND方向、畫面的上下方向流動。通過電流産生的相互電感可進一步獲得低ESL效果。

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      圖4:低ESL電容器的種類及優勢

      圖5為普通的MLCC與低ESL電容器的長寬逆轉電容器、3端子電容器的頻率-阻抗特性比較。不論種類,其靜電容量都為1uF,因此,共振點以下的頻帶内其幾乎顯現出相同的特性,但共振點以上的頻帶内由于ESL的不同而顯現出很大差異。
      如圖5所示,長寬逆轉電容器的ESL為普通MLCC的1/3,3端子電容器的ESL為普通MLCC1/10左右。但需要注意的是這是電容器本身的性能比較,然而實際情況下,是貼裝在主闆上使用,所以除電容器的ESL以外,還要考慮主闆和組合的電感成分。

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      圖5:不同種類的阻抗頻率特性

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      圖6為小型大容量的低ESL電容器與MLCC阻抗頻率特性比較。長寬逆轉電容器(1.0×0.6mm尺寸、4.3uF)高頻情況下的阻抗與2個MLCC(0.6×0.3mm、1uF)阻抗相同,因此2個MLCC可以用1個長寬逆轉電容器替換。
      3端子電容器(1.0×0.5mm尺寸、4.3uF)高頻情況下的阻抗與4個以上的MLCC阻抗相同,因此從理論上來說,4個以上的MLCC可以用1個3端子電容器替換。

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      圖6:減少元件的方法

      圖7就使用3端子電容導緻的MLCC削減的原理進行說明。
      為方便起見,在此我們隻考慮過孔、走線及電容器的簡單結構。
      (1)旁路電容中使用MLCC的事例。此時的回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,所以回路阻抗的總值也會減少。因此,可以抑制因回路阻抗導緻的電壓的變動。

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      圖7:回路阻抗的比較

      圖8為3端子電容器的另一使用方法。
      假設将旁路電容器換成3端子電容器,此時,如果可以與MLCC同等的回路阻抗(電壓波動水平相等)的話,則可僅僅将電容器的電感的差分、走線設計得長點,增加阻抗。當利用這一線路的長度,可以用1個3端子電容器将多個電源端子覆蓋。這樣,如圖8所示,可通過3端子電容器将數個旁路電容器彙集以減少元件數。此時,線路長度增長,線路部位的電感增大,但電容器變小,所以總阻抗并沒有發生變化。
      不過,走線寬度如果過細或過長,超過電容器ESL成分的話,則效果全無。為此,為降低走線的電感成分,建議加寬走線的寬度或者在旁路電容器貼裝面上與電源組合,提高并列效果。

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      圖8:通過使用3端子電容器來減少MLCC個數的示意圖

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      如今,在面向一部分智能手機的應用IC的參考設計中,據載有100個以上的0603尺寸、1uF的MLCC用于電源的旁路電容器。
      其中,在核心電源線路上并聯使用了10個以上的旁路電容器。此外的許多電源線路上也推薦2、3個電容器的并聯使用。
      圖9所示是把這些電容器從MLCC轉換為低ESL電容器,減少原件數目的例子。從圖9中我們可以得知,通過使用低ESL電容器,可在維持同等回路阻抗的同時,使原設計中MLCC的元件數目從100個減少至32個。也就是說,總共可能削減68個MLCC。另外,通過轉換為低ESL電容器,可以把應用IC與其周圍的電容器所占面積減少約35m㎡。

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      圖9:元件數目削減與實際安裝面積削減

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      最合理地使用很新的小型大容量低ESL電容器,不但能把使用IC電源的MLCC元件數目減少至1/2以下,還能大幅度削減MLCC所占的實際安裝面積。今後我們也将繼續推進小型大容量低ESL電容器的商品化,不斷為元件數目的削減和實際安裝面積削減貢獻力量。

       

      作者:株式會社福井村田制作所第2電容器商品開發部加藤一喜

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