近年來(lái)，以智能手機為代表的小型移動(dòng)設備中，除了電話(huà)功能外，增加了數碼相機、游戲、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、音樂(lè )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等高速數據通信功能，增加動(dòng)畫(huà)等大容量的數據交流。

特別是處理大容量數據的應用處理器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(chēng)MLCC）。

通過(guò)上述的背景和智能手機技術(shù)的趨勢來(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(huà)，可以減少MLCC的1/2的使用量，同時(shí)也大幅度減少了MLCC所占據的使用面積。

使用低ESL電容器的目的

圖1所示的是IC/LSI的電源線(xiàn)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(chēng)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(shuō)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)使用的數量，從而可大幅減少元件數量和貼裝面積。

圖1: IC/LSI電源線(xiàn)和MLCC的連接

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低ESL電容器的種類(lèi)和優(yōu)點(diǎn)

接下來(lái)解說(shuō)下ESL電容器的構造和優(yōu)點(diǎn)。低ESL電容器分為長(cháng)寬逆轉電容器和3端子電容器2類(lèi)。

長(cháng)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(lái)說(shuō)，MLCC的ESL會(huì )根據電流流過(guò)的距離產(chǎn)生相應的增加、幅度變大會(huì )有縮小的傾向，因此長(cháng)寬逆轉電容器的結構是電流流過(guò)的距離短、幅度大，從而實(shí)現了低ESL。

接下來(lái)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(guò)孔電極和GND過(guò)孔電極交替疊加的構造。因此，當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，因為這種并聯(lián)效果從而實(shí)現了更低的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(shí)現了低ESL。

圖2: 低ESL電容器的種類(lèi)和優(yōu)勢

圖3所示的是一般的MLCC和低ESL電容器，長(cháng)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(gè)型號的容量都為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ESL的不同，阻抗會(huì )有很大差異，長(cháng)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(shí)際上因為在電路板上面安裝使用的關(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(lèi)的不同阻抗頻率特性
 

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減少元件數的方法

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(cháng)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(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(cháng)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(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: 減少元件數的方法

圖5中，根據3端子電容器的使用，來(lái)說(shuō)明減少MLCC的原理。這里為了方便起見(jiàn)，只考慮過(guò)孔、走線(xiàn)以及電容器的簡(jiǎn)單結構。

旁路電容中使用MLCC的事例。此時(shí)的環(huán)路阻抗會(huì )根據過(guò)孔和走線(xiàn)以及MLCC的電感成分達到阻抗的總值。

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(huà)，不僅僅電容器阻抗的區別，還能設計成長(cháng)的走線(xiàn)。（圖5（3））。利用這種走線(xiàn)的長(cháng)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)，從而減少了元件數量。此時(shí)走線(xiàn)的長(cháng)度使得走線(xiàn)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。

但是當走線(xiàn)細而長(cháng)時(shí)，走線(xiàn)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(xiàn)的電感成分，走線(xiàn)的寬度應變大，旁路電容實(shí)際安裝的面積，推薦連接電源強化并聯(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MLCC個(gè)數的示意圖
 

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阻抗的測定結果

現在，據記載一些面向智能手機的IC應用的參考設計中，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(xiàn)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(xiàn)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)數的同時(shí)，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(guān)系，既維持了相同的環(huán)路阻抗又將MLCC的個(gè)數從原來(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應用和它周?chē)碾娙萜魉紦拿娣e減少35mm2 。

圖7: 減少個(gè)數和減少貼裝面積

結語(yǔ)

正確使用最新的小型大容量的低ESL電容器的話(huà)，IC電源用的MLCC的數量能夠減少1/2，還能大幅度減少MLCC所占據的貼裝面積。今后小型大容量的低ESL電容器將被商品化，為削減元件數和減少貼裝面積做出貢獻。