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(yè)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(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(zhǎng)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(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。