【導(dǎo)讀】由于智能手機(jī)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(lái)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。
近年來(lái),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(yè)瀏覽、音樂(lè)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(huà)等大容量的數(shù)據(jù)交流。
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(guò)上述的背景和智能手機(jī)技術(shù)的趨勢(shì)來(lái)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(lái)說(shuō)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(kāi)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(lái)使用。
圖1中,從IC/LSI的HOT端子流出,經(jīng)過(guò)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(shuō)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。
圖1: IC/LSI電源線和MLCC的連接
[page]
低ESL電容器的種類和優(yōu)點(diǎn)
接下來(lái)解說(shuō)下ESL電容器的構(gòu)造和優(yōu)點(diǎn)。低ESL電容器分為長(zhǎng)寬逆轉(zhuǎn)電容器和3端子電容器2類。
長(zhǎng)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(lái)說(shuō),MLCC的ESL會(huì)根據(jù)電流流過(guò)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(zhǎng)寬逆轉(zhuǎn)電容器的結(jié)構(gòu)是電流流過(guò)的距離短、幅度大,從而實(shí)現(xiàn)了低ESL。
接下來(lái)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(guò)孔電極和GND過(guò)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2: 低ESL電容器的種類和優(yōu)勢(shì)
圖3所示的是一般的MLCC和低ESL電容器,長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)孔的電感的成分。
圖3: 不同種類的不同阻抗頻率特性
[page]
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(zhǎng)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(zhǎng)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4: 減少元件數(shù)的方法
圖5中,根據(jù)3端子電容器的使用,來(lái)說(shuō)明減少M(fèi)LCC的原理。這里為了方便起見(jiàn),只考慮過(guò)孔、走線以及電容器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。
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(guò)孔和走線以及MLCC的電感成分達(dá)到阻抗的總值。
為用1個(gè)MLCC來(lái)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(shuō)明下3端子電容器的另一個(gè)使用方法。如用旁路電容來(lái)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(zhǎng)的走線。(圖5(3))。利用這種走線的長(zhǎng)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(lái),從而減少了元件數(shù)量。此時(shí)走線的長(zhǎng)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(zhǎng)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。
圖5: 環(huán)路阻抗的比較
圖6: 通過(guò)使用3端子電容器來(lái)減少M(fèi)LCC個(gè)數(shù)的示意圖
[page]
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(guò)100個(gè)的0201尺寸、1µF的MLCC來(lái)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(lái)的100個(gè)減少到32個(gè)。也就是說(shuō),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 。
圖7: 減少個(gè)數(shù)和減少貼裝面積
結(jié)語(yǔ)
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M(fèi)LCC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)。