低ESL電容器的活用方法——如何減少貼裝面積？
作者：株式會社福井村田制作所第2電容器商品開發(fā)部加藤一喜
1．前言
近年，以智能手機(jī)為代表的小型移動設(shè)備中除電話功能外，還增加了數(shù)碼相機(jī)、游戲、瀏覽網(wǎng)頁、音樂播放等多項功能，可以設(shè)想今后還將會搭載越來越多的功能。此外，LTE等高速數(shù)據(jù)通信功能今后也將普及，視屏等大容量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換也會不斷增加。（請參照圖1）
圖1：智能手機(jī)的未來
隨著采用高速化的CPU以及LTE通信導(dǎo)致耗電量不斷增加，由于電池容量的提高，搭載了電子元器件的主板體積出現(xiàn)減小的傾向。
另外，伴隨著高性能化，安裝在主板上的電子元器件數(shù)目也有不斷增加的趨勢。
特別是處理大容量數(shù)據(jù)的被稱為應(yīng)用處理器的IC電源中，平均一個IC使用了大約數(shù)十個MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor)。
在上述背景及智能手機(jī)技術(shù)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
2．利用低ESL電容器減少貼裝面積
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，可以減少圖2中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。
圖2：利用低ESL電容器減少貼裝面積
3．低ESL電容器的種類及優(yōu)勢
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(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，如圖3所示，很多MLCC將被當(dāng)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，電流回路所產(chǎn)生的阻抗我們在此稱為回路阻抗。IC/LSI的HOT-GND之間所產(chǎn)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。
圖3：IC/LSI電源線與MLCC的鏈接
為減小回路阻抗，通常需要將多個MLCC并列連接，根據(jù)并聯(lián)效果減小總阻抗。此次所使用的MLCC其構(gòu)造及等效回路如圖3右下角所示，雖為電容器，等效串聯(lián)電阻：ESR，等效串聯(lián)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電容器如后面所述，是為降低ESL而制成的MLCC的一種。通過將低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電容器替換后可以減少并聯(lián)使用數(shù)目，從而大幅減少數(shù)量以及貼裝面積。
接著就低ESL電容器的構(gòu)造及優(yōu)勢進(jìn)行說明。低ESL電容器有2種，即長寬逆轉(zhuǎn)電容器和3端子電容器。
長寬逆轉(zhuǎn)電容器的結(jié)構(gòu)如圖4中間部分所示。與一般型號的電容器的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隨著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(zhuǎn)電容器的構(gòu)造中通過縮短電流距離、增大走線寬度來實現(xiàn)低ESL。
接下來就3端子電容器的構(gòu)造進(jìn)行說明（圖4最下方）。在3端子電容器內(nèi)部電極構(gòu)造中，HOT貫通電極與GND貫通電極相互交替疊加。因此，當(dāng)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(xiàn)了低ESL。此外，3端子電容器的電流流動路線由4條構(gòu)成，通過并列效果，更進(jìn)一步實現(xiàn)了低ESL。還有，電流沿著GND方向、畫面的上下方向流動。通過電流產(chǎn)生的相互電感可進(jìn)一步獲得低ESL效果。
圖4：低ESL電容器的種類及優(yōu)勢
圖5為普通的MLCC與低ESL電容器的長寬逆轉(zhuǎn)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，共振點以下的頻帶內(nèi)其幾乎顯現(xiàn)出相同的特性，但共振點以上的頻帶內(nèi)由于ESL的不同而顯現(xiàn)出很大差異。
如圖5所示，長寬逆轉(zhuǎn)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，是貼裝在主板上使用，所以除電容器的ESL以外，還要考慮主板和組合的電感成分。
圖5：不同種類的阻抗頻率特性
4．減少元件的方法
圖6為最新小型大容量的低ESL電容器與MLCC阻抗頻率特性比較。長寬逆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。
圖6：減少元件的方法
圖7就使用3端子電容導(dǎo)致的MLCC削減的原理進(jìn)行說明。
為方便起見，在此我們只考慮過孔、走線及電容器的簡單結(jié)構(gòu)。
（1）旁路電容中使用MLCC的事例。此時的回路阻抗會根據(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(dǎo)致的電壓的變動。
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(shè)將旁路電容器換成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，則可僅僅將電容器的電感的差分、走線設(shè)計得長點，增加阻抗。當(dāng)利用這一線路的長度，可以用1個3端子電容器將多個電源端子覆蓋。這樣，如圖8所示，可通過3端子電容器將數(shù)個旁路電容器匯集以減少元件數(shù)。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(fā)生變化。
不過，走線寬度如果過細(xì)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。
圖8：通過使用3端子電容器來減少MLCC個數(shù)的示意圖
5．電容器元件數(shù)目的減少案例
如今，在面向一部分智能手機(jī)的應(yīng)用IC的參考設(shè)計中，據(jù)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(lián)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(lián)使用。
圖9所示是把這些電容器從MLCC轉(zhuǎn)換為低ESL電容器，減少原件數(shù)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(shè)計中MLCC的元件數(shù)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(zhuǎn)換為低ESL電容器，可以把應(yīng)用IC與其周圍的電容器所占面積減少約35m㎡。
圖9：元件數(shù)目削減與實際安裝面積削減
6．結(jié)語
最合理地使用最新的小型大容量低ESL電容器，不但能把使用IC電源的MLCC元件數(shù)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。今后我們也將繼續(xù)推進(jìn)小型大容量低ESL電容器的商品化，不斷為元件數(shù)目的削減和實際安裝面積削減貢獻(xiàn)力量。
文章來源：村田制作所官網(wǎng)
編輯：admin 最后修改時間：2017-09-05
