3端子貫通型フィルタの実装のポイント

ソリューションガイド

電子機器の高速化・高周波化とともに、ノイズフィルタ用途やデカップリング用途に使用されるコンデンサや3端子貫通型フィルタには、さらなる低ESL(等価直列インダクタンス)特性が求められています。また、自動車の電装システムにおいても、安全・快適性の向上やインフォテインメント化に対応するため、低ESLタイプのニーズが高まっています。TDKの先進の低ESL部品による車載電子機器に向けた各種ソリューションをシリーズでご紹介します。

3端子貫通型フィルタの実装のポイント　概要

3端子貫通型フィルタは、その接続方法により効果的なノイズ対策とデカップリングが可能です。
フィードスルー接続は電源ラインに直列に貫通させて接続する一般的な実装方法で、高周波ノイズ対策に最適です。シャントスル―接続は電源ラインに並列に接続する実装方法で、電源ラインのデカップリング用としてすぐれた効果を発揮します。本記事では、それぞれの実装方法やメリットなどについて詳しく解説いたします。

フィードスルー接続による実装方法のポイント

3端子貫通型フィルタは内部電極の特殊な積層構造により低ESL化を図り、減衰特性を高めた電子部品です。しかし、プリント基板への実装の仕方によっては、基板のESL成分の影響を受けて減衰特性も変化します。特に多層基板への実装においては、スルーホール(ビアホール)の設計がESL値に大きく関係してきます。
1層目にグランドプレーン(全面をグランドとする層、ベタグランド)、2層目に電源ラインを設けた多層基板(図1)を例に、その実装方法のポイントをご紹介します。

図1 ：多層基板への3端子貫通型フィルタの実装例

信号配線パターンや電子部品を実装する基板表面と電源ライン層との間に、グランドプレーンを配置すると、グランドプレーンの静電シールド効果によりノイズの影響が軽減されます。したがって、基本的にグランドはラインよりもグランドプレーンが望ましいといえます。
図1のような多層基板への3端子貫通型フィルタの実装においては、電源ラインのパターンの一部をカットして、スルーホールを通じて基板表面の配線パターンに接続します。

3端子貫通型フィルタ側面の2つのグランド電極は、グランドパターンとスルーホールを介して基板内層のグランドプレーンとつながります。低ESL化を図るため、グランドパターンへの接続はできるだけ太く短くします。

グランドパターンとグランドプレーンを結ぶスルーホールの数や長さ(深さ)は、ESL値に大きく関係してきます。スルーホールの数を増やし、最短で接続することもポイントなります。

スルーホールの数が多く、短い(浅い)ほど低ESLとなり減衰量が大きくなる

実際にグランドパターンとグランドプレーンを結ぶスルーホールの数や長さ(深さ)が、3端子貫通型フィルタの減衰量-周波数特性にどのように関係するのか、図2に示す実装条件で比較してみました。

図2 ：多層基板への実装条件(スルーホール、グランドプレーン)

スルーホールがグランドパターンの両側2本の場合(条件①)と片側1本の場合(条件②)では、両側2本のほうが大きな減衰量を示します。また、ともに両側2本で、スルーホールの長さ(深さ)が異なる場合は、スルーホールが長い(深い)条件③よりも、スルーホールが短い(浅い)条件①のほうが大きな減衰量を示します(図3)。

図3 ：スルーホールの数/長さ(深さ)と減衰特性の関係

図4：コストパフォーマンスも考慮に入れたTDK推奨のスルーホール配置

このように、スルーホールは多いほど、またスルーホールの長さ(深さ)が短い(浅い)ほど、低ESLとなってすぐれた減衰特性を示します。図4に、コストパフォーマンスも考慮に入れたTDKが推奨するスルーホール配置を示します。中央部のスルーホールが、すぐれた低ESL効果を発揮します。

シャントスルー接続による効果的なデカップリング

ICの電源ラインの電圧変動は、回路の動作を不安定にしたり、ノイズの原因となります。そこで、電源ラインとグランドの間にコンデンサを挿入し、負荷が急激に変化したときに、電流を一時的に供給して電圧変動を抑制します。これをデカップリングといい、使用されるコンデンサをデカップリングコンデンサといいます。
3端子貫通型フィルタYFF-AC/AHシリーズは、車載電子機器の電源ラインのノイズ対策部品としてのみならず、デカップリング用としても、すぐれたパフォーマンスを発揮します。デカップリングに使用する場合は、シャントスルー接続という特殊な実装方法が効果的です。図5に示すように、シャントスルー接続は電源ラインのパターンをカットせずにプリント基板に実装します。このため、3端子貫通型フィルタは電源ラインに並列に接続されることになります。

図5：シャントスルー接続による実装方法

シャントスルー接続のメリット

3端子貫通型フィルタをデカップリング用にシャントスルー接続することには、以下のようなメリットがあります。

シャントスルー接続により、電源ラインに流れる電流は、主に配線パターンのほうへ流れるため、3端子貫通型フィルタで規定されている定格電流よりも多くの電流が流れる回路において使用できるようになります。

3端子貫通型フィルタをデカップリング用途で通常のフィードスルー接続した場合、3端子貫通フィルタの内部の抵抗成分(Rdc)により電圧降下が起こり、特に低電圧回路ではその影響が大きくなります。シャントスルー接続はこの影響を小さくできるメリットがあります。

フィードスルー接続とシャントスルー接続による電圧降下の比較例を図6に示します。

図6：フィードスルー接続とシャントスルー接続における電圧降下の比較例

電源電圧3.0V、負荷1Ωの回路の途中に3端子貫通型フィルタ(4.3μF)を挿入した場合において、フィードスルー接続では、18mVの電圧降下が起きていますが、シャントスルー接続では8mVに抑制されています。シャントスルー接続は電源ラインの電圧降下を抑制でき、低電圧回路でもご使用いただけます。
このように3端子貫通型フィルタを効果的に使用するには、用途に応じて適切な実装方法を選択することがポイントです。フィードスルー接続とシャントスルー接続の特長を以下にまとめました(表1)。

表1：フィードスルー接続とシャントスルー接続の特長の比較

	フィードスルー接続	シャントスルー接続
実装方法	ノイズを除去したいラインのパターンの一部をカットしてその間に挿入する。	ラインの配線パターンをカットせずに、並列(シャント)接続で実装する。
主な用途	高周波帯域のノイズ除去（フィルタ用途）	ICの電圧変動抑制（デカップリング用途）
メリット	高周波までの広い帯域でノイズ除去効果が高い。	チップ内を電流がほとんど流れないため、定格電流の制限がない。配線パターンをカットしていないので、基板設計後も員数の変更が容易。
デメリット	チップ内を電流が流れるため、定格電流の制限がある。電源ライン／信号ラインをカットするため設計変更が難しい。	ESLがフィードスルー接続とくらべてわずかに高くなる。
ノイズ除去効果	◎	○
ノイズ除去効果	ライン上のノイズは必ずチップ内を通るので効果的にノイズをGNDに逃がすことができる。	一部のノイズは電源ラインを通過してしまうため、ノイズ除去効果はフィードスルー接続よりも劣る。
電圧変動抑制効果	△ (電圧降下が起きる)	◎ (電圧降下が小さい)