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(shù)碼相機、游戲、網(wǎng)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(shù)據(jù)通信功能,增加動畫等大容量的數(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)量也會增加。特別是處理大容量數(shù)據(jù)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(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(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,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首先需要降低環(huán)路阻抗。此時, 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,總阻抗會因為并聯(lián)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(lián)電阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL),當中的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
接下來解說下ESL電容器的構造和優(yōu)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(jù)電流流過的距離產(chǎn)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(xiàn)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(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個方向,因為這種并聯(lián)效果從而實現(xiàn)了更低的ESL。特別是電流流向GND方向、和圖的上下方向。因為這樣的電流和產(chǎn)生的互感實現(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(jù)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(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(jù)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(huán)路阻抗會根據(jù)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(huán)路阻抗的總值也會減少。因此,可以抑制因環(huán)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(huán)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(qū)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(shù)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(lián)效果。
阻抗的測定結果
現(xiàn)在,據(jù)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(lián)使用了10個以上的旁路電容、其他很多的電源線中也并聯(lián)使用了2到3個電容器。
將這些電容器從MLCC更換成低ESL電容器,在減少個數(shù)的同時,環(huán)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(huán)路阻抗又將MLCC的個數(shù)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(jù)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(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。