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低ESL MLCC選択ガイド：リバースジオメトリ、3端子MLCC、およびPCB配置

Jul30

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低ESL MLCCは、通常のセラミックコンデンサでは高周波数で十分に低いインピーダンスを提供できない場合に使用されます。キャパシタンス、電圧定格、誘電体の種類、パッケージサイズ、および信頼性に関するより広範なガイダンスについては、当社のMLCC選択ガイドをご覧ください。低ESL設計は、CPU、GPU、FPGA、ASIC、高速メモリ、および高速DC-DCコンバータの周囲で特に有用であり、急速な電流の変化が供給電圧ノイズを生じる可能性があります。コンデンサ内のESLを減らすことは解決策の一部に過ぎません。PCBトレース、パッド、ビア、電源プレーン、グラウンドリターンパスもインダクタンスに寄与します。このガイドでは、標準、リバースジオメトリ、および3端子MLCCがどのように異なり、PCB配置がそれらの実際の高周波性能にどのように影響を与えるかを説明します。

カタログ

1. MLCCにおけるESLとは？

2. 現代の回路において低ESLが重要な理由

3. リバースジオメトリMLCCの説明

4. 3端子MLCCの説明

5. 低ESL MLCCのPCB配置ルール

6. 低ESL MLCC使用時の一般的な間違い

7. ステップバイステップでの低ESL MLCC選択

ESL in an MLCC

図1. MLCCにおけるESL

MLCCにおけるESLとは？

ESL（Equivalent Series Inductance）、すなわち等価系列インダクタンスは、MLCCの内部電極、端子、PCBパッド、トレース、ビアを通る電流経路によって生成される望まれないインダクタンスです。総ESLは、コンデンサの構造とそのPCBマウントの両方に依存します。

MLCC Equivalent Circuit and Impedance vs. Frequency

図2. MLCCの等価回路とインピーダンス対周波数

ESLは、MLCCの高周波数におけるインピーダンスを制御します。自己共振周波数以下では、周波数が上昇するにつれてインピーダンスは減少します。共振時、コンデンサは最小のインピーダンスに達します。この周波数を超えると、ESLが支配的になり、インピーダンスは次のように増加します：

Xₗ = 2πfL

ここで、fは周波数、LはESLです。

低ESLは重要です。なぜなら、高周波数で低いインピーダンスを維持することができ、これが高周波ノイズフィルタリングを改善し、コンデンサがプロセッサ、FPGA、電源IC、スイッチングレギュレータの近くで急速な変動電流を供給するのを助けるからです。低ESL MLCC設計、短い接続、小さな電流ループ、近接した電源およびグラウンドビアは、マウントインダクタンスを減少させ、デカップリング性能を向上させます。

現代の回路において低ESLが重要な理由とは？

High-Frequency Decoupling Loop

図3. 高周波デカップリングループ

現代のプロセッサ、GPU、FPGA、高速デジタルICは非常に迅速に電流需要を変えることができます。これらの高速負荷過渡時に、デカップリングネットワークは電圧レギュレータが応答する前に電流を供給する必要があります。MLCC ESLが高すぎると、コンデンサは非常に高い周波数で効果的に反応できず、電源レールに電圧スパイクやディップが現れる可能性があります。

低ESL MLCCは、この誘導性の制限を減らし、MLCCのインピーダンスを広い高周波範囲で低く保ちます。これにより、低誘導キャパシタは高周波デカップリングに役立ちます。ここでは、接続誘導がわずかでも電力整合性の性能を低下させる可能性があります。低ESLは、FPGAデカップリングキャパシタやGPUデカップリングMLCCにとって特に重要です。なぜなら、高速スイッチング電流は電源とグラウンドの間で短い電流経路を必要とするからです。逆ジオメトリMLCC、逆ジオメトリキャパシタ、または3端子MLCCは、従来の2端子パッケージよりも低い誘導を提供できます。

コンポーネントの選択だけでは不十分です。適切なMLCC PCB配置とデカップリングキャパシタのレイアウトもまた、総ループ誘導を低く保ち、低ESLキャパシタが意図通りに機能するようにするために必要です。低ESLは、AIサーバ電源レールで使用されるMLCCに関連する高電流コンピューティングシステムで特に重要です。

特徴	標準MLCC	逆ジオメトリMLCC	3端子MLCC
内部構造	交互の内部電極がパッケージの短い端に通常配置されている2端子に接続します。	2端子の多層構造を使用しますが、端子はパッケージの長い側に配置されています。	入力、出力、グラウンド端子を持つフィードスルー構造を使用します。内部電極と端子の配置は製品シリーズによって異なります。
電流経路	電流は通常、パッケージの長い寸法を通過しますが、正確な経路は内部電極と終端設計によって異なります。	電流はパッケージの短い寸法を通過します。短く幅の広い経路は、内部の電流ループ面積を減少させます。	負荷電流は入力端子から出力端子に流れます。高周波ノイズ電流は内部電極を介して密接に接続されたグラウンド端子に結合され、より短い電流戻り経路を作成します。
ESLがどのように削減されるか	特殊な低誘導端子配置なしで従来の2端子構造を使用します。	主に端子の方向と短く幅の広い電流経路を通じてESLを減少させます。	フィードスルー電極構造、並列電流経路、および改良された電源からグラウンドへの戻り経路を介してESLを減少させます。
ESL特性	一般的に、パッケージサイズ、キャパシタンス、構造、および測定条件が類似している場合、比較的低ESL設計よりも高いESLを持ちます。	一般的に、比較可能な標準MLCCよりも低いESLを持ちますが、削減量は特定のパッケージと内部設計に依存します。	類似の2端子部品と比較して非常に低い挿入誘導を提供することが多いですが、すべての3端子MLCCがすべての逆ジオメトリMLCCよりも低いESLを持つとは限りません。正確な性能は特定の部品によります。TDKの発表した比較は代表的なコンポーネントを使用しており、すべてのMLCCの普遍的な値ではありません。
高周波性能	一般的なデカップリングに適しています。インピーダンスは、比較可能な低ESL構造よりも低い周波数で上昇し始めることがあります。	低い電流経路誘導により、比較可能な標準MLCCよりも高い周波数で低いインピーダンスを維持できます。	電源経路で正しく接続された場合、低い挿入インピーダンスと強力な高周波ノイズ抑制を提供できます。
PCBレイアウト	一般的な2パッドフットプリントを使用します。短いトレースと密接に配置された電源およびグラウンド経路は、取り付け誘導を制御するために必要です。	長い側に沿った端子を持つフットプリントが必要です。長いトレース、遠くのビア、または大きな電源からグラウンドへのループによってその利点が減少する可能性があります。	専用の入力、出力、およびグラウンドパッドが必要です。グラウンド端子は、短い低誘導経路を介してグラウンドプレーンに接続されるべきです。
いつ使用するか	標準部品とシンプルなレイアウトで必要なインピーダンスが満たされる場合に、一般的なバイパス、フィルタリング、デカップリングに使用します。	CPU、GPU、FPGA、メモリデバイス、ASIC、または高速ICの近くで低いデカップリングループ誘導が必要なとき、シンプルな2端子接続が好ましいときに使用します。	電力レールに沿って高周波ノイズを直接フィルタリングする必要があるとき、または設計で非常に低い挿入インピーダンスと制御されたグラウンド戻り経路を要求する場合に使用します。
一般的な用途	一般的な電源バイパス、コンシューマーエレクトロニクス、自動車制御回路、産業用エレクトロニクス、低から中程度の周波数デカップリング。	ローカルプロセッサデカップリング、FPGAおよびGPU電源レール、通信IC、高速メモリ、コンパクトな電力配分ネットワーク。	プロセッサおよびSoC電源レール、サーバーおよびネットワーキングハードウェア、自動車ADASエレクトロニクス、通信機器、およびノイズに敏感なDC電源ライン。村田制作所とTDKは、プロセッサデカップリングと電源ラインノイズ抑制をこれらの構造の一般的な用途として特定しています。
主な利点	低コスト、広範な入手可能性、および簡単な配置。	よく知られた2端子コンデンサー接続を保持しながらESLを低下させます。	定義されたフィードスルーパスと低挿入インダクタンスを組み合わせて、高周波電力ラインフィルタリングを強化します。
主な制限	取り付けおよび内部インダクタンスは、非常に高速な電流遷移中に性能を制限する可能性があります。	特殊なフットプリントを必要とし、その実際の利点は部品特有のインピーダンスデータを使用して確認する必要があります。	より複雑なルーティングと慎重なアース接続が必要です。電力経路がコンポーネントをバイパスしたり、アース接続に過剰なインダクタンスがあると、その性能が低下する可能性があります。

逆ジオメトリMLCCの説明

Reverse-Geometry MLCC Structure and Current Path

図4. 逆ジオメトリMLCC構造と電流パス

逆ジオメトリMLCC（逆ジオメトリコンデンサーとも呼ばれる）は、パッケージの長辺に配置された端子を持つ2端子多層構造を使用します。標準MLCCでは、端子は通常短い端に配置されるため、電流は主にパッケージの長い次元に沿って流れます。逆の配置により、端子間の距離が短くなり、内部電極を通る電流の経路が広くなります。

この端子の向きは内部の電流ループ面積を減少させ、ESLを低下させるのに役立ちます。コンポーネントは、電力とグラウンドの間に接続された従来の2端子シャントコンデンサーとして機能するため、3端子MLCCが使用するフィードスルールーティングを必要としません。ESL削減の量は、パッケージの寸法、電極の構造、静電容量値、および製造者の設計によって異なります。

Standard and Reverse-Geometry MLCC Package Comparison

図5. 標準および逆ジオメトリMLCCパッケージ比較

逆ジオメトリ低ESL MLCCは、シンプルな2パッド接続が好まれる場合に高周波デカップリングに適しています。正しいPCB実装のためには、端子を電力とグラウンドパスに向け、コンデンサーをICの近くに配置し、接続およびビアパスを短く保つ必要があります。悪い向きや大きなPCB電流ループは、逆ジオメトリ構造の利点を減少させる可能性があります。

3端子MLCCの説明

3-Terminal MLCCs

図6. 3端子MLCC

3端子MLCCは、入力、出力、およびアース接続のための分離されたフィードスルー構造を使用します。電力ラインは1つの端子を通って入ってきて、反対の端子を通って出て行きますが、内部のグラウンド電極はグラウンド端子に接続されています。一部のパッケージには4つの物理端子がありますが、2つのグラウンド端子は1つの電気ノードを形成するため、コンポーネントには依然として3つの電気接続があります。

コンデンサー内部では、交互のラインおよびグラウンド電極層が、電力ラインからグラウンドへの高周波ノイズの流れに対して短いパスを作成します。2つのグラウンド端子は並列の帰還パスも提供し、接続インダクタンスと挿入インピーダンスを低下させるのに役立ちます。この内部構成は、2端子シャントコンデンサーとして接続される標準または逆ジオメトリMLCCとは異なります。

正しいPCB実装のためには、両方の端子を同じ銅エリアに接続するのではなく、入力および出力端子を通して電力レールをルーティングします。グラウンド端子を短い経路を使用して固体のグラウンドプレーンに直接接続し、ビアを密接に配置します。正確な端子レイアウトおよびランドパターンは製品によって異なるため、選択した3端子MLCCに対する製造者の推奨フットプリントに従ってください。

実用的な低ESL MLCC製品の例

TDKは、電力ラインデカップリングおよび高周波ノイズ抑制のための3端子フィードスルーフィルターのYFFシリーズを提供しています。このシリーズは、推奨されるフィードスルーレイアウトに従うように電力パスとグラウンドビアを必要とします。

村田制作所は、プロセッサ電源デカップリングおよびEMI抑制のためのNFMシリーズ3端子低ESLコンデンサーを提供しています。また、村田は従来の2端子接続を必要とする設計用の逆ジオメトリ低ESLコンデンサーも提供しています。

太陽誘電は、高周波デカップリングのための低インダクタンス逆ジオメトリMLCCソリューションを提供しています。これらの製品を比較するときは、正確な製品インピーダンス曲線、パッケージ寸法、電圧定格、静電容量、および推奨されたランドパターンを使用してください。

これらの例は異なる製品構造を示しており、メーカーのランキングとして解釈されるべきではありません。

低ESL MLCCのPCB配置ルール

Good vs Poor PCB Placement

図7. 良いPCB配置と悪いPCB配置

3端子のMLCCは電源経路に直接接続する必要があります。電源を入力端子にルーティングし、出力端子から負荷へ出力してください。両方のライン端子を同じ銅エリアに接続しないでください。これによりフィードスルーパスがバイパスされ、フィルタリングの効果が減少します。

接地端子を非常に短く、広いトレースと密に配置された接地ビアを使用して、しっかりした接地面に接続します。PCBプロセスが許可する場合は、接地パッドの隣または内部にビアを配置してください。複数の接地ビアは接続インダクタンスを減少させることができますが、正確な数は製造元のフットプリントおよび現在の推奨に従うべきです。

低ESL MLCCをサポートするIC、FPGA、GPU、またはDC-DCコンバータの近くに配置します。入力、出力、および接地経路をコンパクトに保ち、コンポーネントの下にルーティングの隙間や平面の分割を避けて、完全な電流戻りループを最小限に抑えます。最終的なMLCC PCB配置は、パッドの形状やルーティング方向が高周波性能に直接影響を与えるため、製造元のランドパターンに従うべきです。

レイアウトファクター	推奨される実践	重要性
キャパシタがIC電源ピンからの距離	MLCCをICと同じPCB面、ルーティングおよびパッケージクリアランスが許す限り近くに配置します。	距離が大きくなると接続長さ及び取り付けインダクタンスが増加します。
トレース長	キャパシタ、IC電源ピン、及びプレーンの間に非常に短く、広い接続を使用してください。	長いまたは狭いトレースは寄生インダクタンスを増加させ、速い過渡電流を制限します。
ビア配置	電源ビアと接地ビアをキャパシタパッドの隣またはパッド内に直接配置し、PCBプロセスでサポートされている場合はそのようにします。必要に応じて複数のビアを使用します。	密に配置された並行ビアは電流経路を短縮し、ビアのインダクタンスを減少させます。
電流ループ面積	電源からキャパシタを経由して接地へ戻るループをできるだけ小さくコンパクトに保ちます。	より小さなループは磁束、取り付けインダクタンス及び高周波電圧ノイズを減少させます。

低ESL MLCC使用における一般的な間違い

低ESL MLCCは高周波数で低インピーダンスを提供するように設計されていますが、その性能はPCB上での選択および配置に大きく依存します。悪い配置、長いトレース、不適切なビア、誤ったパッケージ形状、またはインピーダンス曲線の無視は、低ESL設計の利点を減少させ、高周波数ノイズを増加させる可能性があります。

一般的な間違い	何が起こるか	より良い実践
過剰なPCBループインダクタンス	距離のあるキャパシタ、長いまたは狭いトレース、適切に配置されていないビア、または大きな電源から接地への戻りループは、キャパシタ自体よりも多くのインダクタンスを追加することがあります。	キャパシタをICの近くに配置し、短く広い接続を使用し、電源および接地ビアをパッドの隣に配置し、完全な電流ループ面積を最小限に抑えます。
不正確なパッケージまたは構造の選択	選択されたパッケージ、端子の向き、またはキャパシタのタイプは、必要な周波数範囲またはPCBのルーティングに合致していません。	標準、逆ジオメトリ、および3端子構造を部品固有のインピーダンスデータとフットプリント要件を使用して比較します。
インピーダンス曲線の無視	同じ名目の静電容量を持つキャパシタは、異なるESR、ESL、SRF、及び高周波インピーダンスを持つ可能性があります。	関連するバイアスおよび温度条件下での正確な部品番号に対する製造元のインピーダンス対周波数曲線を確認します。

低ESL MLCCはPCBレイアウトも低インダクタンスであるときにのみ、その完全な利点を提供します。多くの高周波数設計では、悪い配置、長いトレース、または距離のあるビアがキャパシタ自体よりも多くのインダクタンスを追加する可能性があります。これがキャパシタの選択とPCB配置を一緒に考慮すべき理由です。

ステップバイステップの低ESL MLCC選択

ステップ	選択アクション	チェック項目
1. 過渡電流要件を特定	負荷電流がどれくらい速く変化するか、回路がどの程度の電圧リップルやドロップを許容できるかを判断します。	負荷ステップ電流、エッジ速度、許容電圧偏差、レギュレータ応答時間、およびデカップリングを必要とする周波数範囲。
2. インピーダンス曲線を確認	名目静電容量だけで選択するのではなく、正確な部品番号の製造元のインピーダンス対周波数データを確認します。	最小インピーダンス、自己共振周波数、高周波インピーダンス、DCバイアス静電容量損失、温度、および試験条件。
3. MLCC構造を比較	標準、リバースジオメトリ、または3端子MLCCが要求される性能に最も適しているかを決定します。	一般的なデカップリングには標準MLCCを、2端子接続でループインダクタンスを低くするにはリバースジオメトリMLCCを、フィードスルーパワーラインフィルタリングには3端子MLCCを使用します。
4. PCBレイアウトの互換性を確認する	パッケージと端子の配置がボード上で正しくルーティングできるか確認します。	フットプリント、ICの近接、トレースの長さ、ビアの配置、パワープレーン接続、グラウンドリターンパス、およびトータルループ面積。
5. 最終ボードでの性能を検証する	コンデンサが取り付けられた後、完全な電力分配ネットワークをテストします。	パワーレイルリップル、一時的電圧応答、リング、伝導ノイズ、インピーダンス、および予想される負荷および温度条件下での性能。