Как с помощью низкоиндуктивных конденсаторов сократить число компонентов и уменьшить площадь печатной платы

В последнее время функционал смартфонов значительно расширился: фото- и видеосъемка, просмотр веб-страниц, воспроизведение музыки и т.д. Новые возможности наверняка будут появляться и в будущем. Кроме того, ожидается рост популярности высокоскоростных технологий передачи данных, таких как LTE, и увеличение объема трафика при обмене данными (Рисунок 1).

Рис. 1.	Будущее смартфонов.

Рост производительности процессоров и внедрение LTE приведет к повышению уровня потребления и, как следствие, к необходимости увеличения емкости аккумуляторов. Чтобы сохранить компактные размеры мобильных устройств, потребуется уменьшать габариты печатных плат и используемых электронных компонентов.

Необходимо помнить и о том, что функционал устройств расширяется, а, значит, количество электронных компонентов, установленных на плате, также увеличивается.

В частности, для обеспечения развязки по питанию мощного процессора, обрабатывающего большие объемы данных, понадобится несколько десятков многослойных керамических конденсаторов (MLCC).

Учитывая все перечисленные выше тенденции, можно выделить основные качества которыми должны обладать многослойные керамические конденсаторы, используемые для развязки по питанию:

• Компактные размеры и большая удельная емкость;
• Низкий импеданс.

Как уменьшить площадь монтажа за счет использования конденсаторов с низкой индуктивностью ESL?

Если для развязки по питанию использовать специализированные MLCC-конденсаторы с малым значением эквивалентной индуктивности (ESL), то общее количество конденсаторов может быть уменьшено вдвое, при этом площадь, занимаемая MLCC, также значительно сократится (Рисунок 2).

Рис. 2.	Уменьшение площади печатной платы за счет использования MLCC-конденсаторов с низким ESL.

Типы и особенности низкоиндуктивных конденсаторов с малым ESL

На Рисунке 3 MLCC-конденсатор используется для развязки интегральной микросхемы по питанию.

По мере увеличения скоростей переключения интегральная микросхема превращается в источник шума.

Для подавления высокочастотных шумов и для защиты от колебаний напряжения на выводах питания ИС применяют развязывающие конденсаторы.

На Рисунке 3 показан паразитный импеданс контура тока, протекающего от вывода HOT к выводу GND через MLCC-конденсатор. Колебания напряжения, возникающие между контактами HOT и GND интегральной схемы, зависят от величины импеданса контура. По этой причине для уменьшения уровня колебаний импеданс необходимо снижать. Как видно из Рисунка 3, импеданс MLCC-конденсатора является частью импеданса токового контура.

Обычно для уменьшения импеданса используют параллельное включение нескольких развязывающих керамических конденсаторов. Конструкция и эквивалентная схема MLCC-конденсатора показаны в нижней части Рисунка 3. Эквивалентная схема содержит паразитные составляющие: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). На высоких частотах наибольший вклад в импеданс вносит именно последовательная индуктивность ESL.

Данная статья посвящена низкоиндуктивным MLCC-конденсаторам, которые были созданы специально для обеспечения минимальных значений ESL. Если для развязки используются низкоиндуктивные MLCC-конденсаторы, то импеданс контура может быть значительно уменьшен. Кроме того, количество включенных параллельно компонентов сокращается, что позволяет экономить место, занимаемое на печатной плате.

Рис. 3.	Использование MLCC-конденсатора для развязки по питанию.

Ниже представлены конструкции и особенности низкоиндуктивных конденсаторов. Существует два типа конденсаторов с низким ESL: конденсаторы с обратной геометрией LW и трехвыводные конденсаторы.

На Рисунке 4 изображена конструкция конденсатора с обратной геометрией LW. В отличие от обычных MLCC-конденсаторов, в конденсаторах с обратной геометрией ширина выводов (W) оказывается больше длины (L).

Паразитная индуктивность MLCC-конденсаторов увеличивается с ростом длины, и уменьшается при увеличении ширины. Таким образом, в конденсаторах с обратной геометрией удается добиваться низких значений ESL за счет сокращения длины и увеличения ширины.

На Рисунке 4 также представлена конструкция трехвыводного конденсатора. Как видно из рисунка, такая конструкция позволяет эффективно сократить длину пути протекания тока от выводов HOT к GND и увеличить ширину этого пути. За счет этого удается достигать низких значений ESL. Также можно заметить, что 3-выводные конденсаторы образуют сразу четыре маршрута протекания тока, что приводит к дополнительному уменьшению ESL. Кроме того, направления токов, протекающих через выводы GND, оказываются противоположными, что приводит к увеличению взаимной индуктивности и уменьшению общей эффективной индуктивности.

Рис. 4.	Типы и особенности низкоиндуктивных конденсаторов.

На Рисунке 5 сравниваются частотные зависимости импедансов трех типов конденсаторов: обычных MLCC-конденсаторов, конденсаторов с обратной геометрией LW и трехвыводных конденсаторов. Все сравниваемые модели имеют одинаковую емкость 1 мкФ, поэтому в области низких частот вплоть до частоты саморезонанса их характеристики оказываются примерно одинаковыми. Однако в области высоких частот выше частоты саморезонанса значения импедансов отличаются достаточно сильно, что является следствием влияния паразитной индуктивности ESL.

Как показано на Рисунке 5, паразитная индуктивность конденсатора с обратной геометрией LW в три раза ниже, чем у обычного MLCC-конденсатора. Индуктивность трехвыводного конденсатора и вовсе оказывается в десять раз меньше. Однако следует помнить, что речь идет именно о сравнении собственных индуктивностей конденсаторов. В реальных приложениях импеданс контура тока также включает в себя паразитную индуктивность проводящих дорожек и переходных отверстий.

Рис. 5.	Частотные зависимости импедансов трех типов конденсаторов.

Методы сокращения количества компонентов

На Рисунке 6 представлены графики частотных зависимостей импедансов для обычных MLCC-конденсаторов и современных низкоиндуктивных конденсаторов.

Рис. 6.	Уменьшение числа компонентов при использовании низкоиндуктивных конденсаторов.

На высоких частотах импеданс одного конденсатора с обратной геометрией LW (размер 1.0 × 0.6 мм, емкость 4.3 мкФ) равен импедансу двух параллельных MLCC (0.6 × 0.3 мм, емкость 1 мкФ), поэтому два MLCC-конденсатора могут быть заменены одним LW-конденсатором.

На высоких частотах импеданс одного трехвыводного конденсатора (размер 1.0 × 0.5 мм, емкость 4.3 мкФ) соответствует импедансу четырех (или более) параллельных MLCC. Теоретически одним трехвыводным конденсатором можно заменить четыре или более MLCC.

На Рисунке 7 поясняется, за счет каких составляющих удается уменьшить импеданс контура тока при использовании трехвыводных конденсаторов.

Рис. 7.	Сравнение импеданса контуров тока.

Для простоты рассмотрим импеданс контура тока, который включает переходное отверстие, печатную дорожку и конденсатор.

• Вариант с использованием обычного MLCC-конденсатора. Импеданс контура в этом случае представляет собой сумму импедансов всех составляющих: переходного отверстия, печатной дорожки и MLCC-конденсатора.
   
• Вариант, в котором MLCC-конденсатор заменяется трехвыводным конденсатором. Так как трехвыводной конденсатор по сравнению с обычным MLCC имеет меньшую паразитную индуктивность ESL, то полное значение импеданса контура снижается. А это в свою очередь приводит к уменьшению уровня помех и снижению колебаний напряжения.

На Рисунке 8 показан альтернативный вариант подключения трехвыводного конденсатора.

Если заменить обычные развязывающие MLCC-конденсаторы трехвыводным конденсатором, то полный импеданс контура уменьшится. Этот выигрыш можно реализовать в виде увеличения длины печатных дорожек. В свою очередь, за счет большой длины печатных проводников удается подключить к одному конденсатору сразу несколько выводов питания. В таком случае можно дополнительно сократить число развязывающих конденсаторов.

Однако, если дорожки оказываются слишком тонкими и длинными, то их импеданс перекрывает выигрыш от низкой индуктивности развязывающего конденсатора. В таких случаях следует увеличивать ширину печатных проводников и размещать переходные отверстия непосредственно на контактных площадках развязывающего конденсатора.

Рис. 8.	Сокращение числа развязывающих конденсаторов за счет использования трехвыводных конденсаторов.

Пример уменьшения количества конденсаторов

В современных смартфонах для развязки по питанию всех используемых микросхем потребуется больше сотни байпасных MLCC-конденсаторов 1 мкФ 0603.

При этом очень часто для развязки нескольких соседних выводов используются батареи из 10 и более параллельно включенных конденсаторов. Кроме того, согласно рекомендациям, следует использовать по два или три параллельных конденсатора для одиночных выводов питания.

На Рисунке 9 показан пример сокращения количества развязывающих компонентов путем замены обычных MLCC-конденсаторов трехвыводными низкоиндуктивными конденсаторами. Как видно, использование конденсаторов с низкой паразитной индуктивностью позволило уменьшить число развязывающих компонентов со 100 до 32, при этом удалось сохранить значение полного импеданса. То есть, общее число MLCC-конденсаторов сократилось на 68. Кроме того, благодаря уменьшению числа компонентов площадь, занимаемая ИС и ее развязывающими конденсаторами, была сокращена примерно на 35 мм².

Рис. 9.	Уменьшение количества компонентов и сокращение занимаемой площади.

Заключение

Благодаря использованию современных компактных низкоиндуктивных конденсаторов, количество развязывающих компонентов может быть уменьшено более чем в два раза, что позволяет значительно сократить площадь, занимаемую на печатной плате. Тенденция по разработке новых конденсаторов с низким уровнем паразитной индуктивности и увеличенной емкостью продолжится. Она будет способствовать дальнейшему сокращению количества компонентов и уменьшению габаритов.

Посмотреть более подробно технические характеристики низкоиндуктивных конденсаторов от Murata