0 引 言

CMOS 技術(shù)的發(fā)展使得芯片的集成度越來越高，單一芯片所擁有的IO 數(shù)量也越來越多，當(dāng)這些芯片大量應(yīng)用在高速數(shù)字系統(tǒng)中，同步開關(guān)噪聲就顯得非常突出。

同步開關(guān)噪聲（SSN）是由IO 輸出緩沖同時(shí)開關(guān)產(chǎn)生的，也稱作同步開關(guān)輸出噪聲(SSO)。產(chǎn)生SSO 的一個(gè)主要原因是電源分配系統(tǒng)（PDS）存在阻抗。具體講就是從電源的輸出端到芯片的輸入端存在著一段距離，在這段路徑上存在著阻抗，從集中模型來看，相當(dāng)于串聯(lián)了集中分布的電阻和電感元件。當(dāng)一定數(shù)量的CMOS 輸出驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)打開時(shí)，就會(huì)有很大的電流瞬間涌入這些感性元件中，這種瞬間快速變化的電流會(huì)在感性元件上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，引起芯片電源輸入端的供給凈電壓不足或過高。

目前常用的方法是在緊靠芯片的電源輸入端加足夠的退耦電容，可以起到穩(wěn)壓的作用，但是由于電源平面和芯片電源平面沒有有效的隔離，電源平面上存在的噪聲干擾很容易進(jìn)入到芯片的供電平面上，最終傳導(dǎo)到SSO 上，使得SSO 惡化。本文提出了L 型和π 型LC 濾波電路設(shè)計(jì)方案，可以有效隔離兩個(gè)平面之間的中高頻噪聲干擾，改善SSO 問題。下面是詳細(xì)的介紹和分析。

1 L 型LC 電源濾波電路

1.1 L 型LC 電源濾波電路模型及工作原理

L 型LC 濾波電路的等效模型見圖一。整個(gè)等效模型的元件有電感L 和退耦電容C1。電感L 主要作用是扼制電流的跳變，起到穩(wěn)流的作用。退耦電容C1 的主要用于抑制由于SSO引起的電壓的跳變，起到穩(wěn)壓的作用。SSO 可以等效成一個(gè)瞬時(shí)開關(guān)的電流源，為了表征最壞的情況，即所有的IO 在同一瞬間一起打開，此時(shí)的電流需求就等于芯片在該電壓下的最大工作電流I。



圖一 L 型LC 電源濾波電路

該電路的工作原理就是當(dāng)SSO 同時(shí)開啟后，產(chǎn)生電流I 的瞬時(shí)需求，首先由C1 放電維持電壓緩慢變化，同時(shí)通過電感L 對(duì)電容進(jìn)行充電。通過這樣反復(fù)的充放電過程維持芯片輸入端電壓在芯片正常工作電壓的誤差范圍之內(nèi)。從頻譜角度看，LC 構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器，有效隔離了兩個(gè)平面之間的中高頻噪聲。

1.2 L 型LC 電源濾波電路的算法分析

根據(jù)圖一的等效模型可以得到方程組（I）：



方程組（I）化簡(jiǎn)后得到二階微分方程（II）



解微分方程（II）得到特解：



如果電壓V 為常量，將特解（III）帶入二階微分方程（II）解得：



如果輸入電壓V 含有紋波Vn sin(ωnt) ，則求解得：



從（V）可以看到經(jīng)過LC 濾波電路后，紋波被放大，放大系數(shù)為。取放大系數(shù)為

當(dāng)時(shí)，LC 電路對(duì)電源紋波有抑止作用。

當(dāng)時(shí)，LC 電路對(duì)紋波有放大作用。其中當(dāng)時(shí)，LC 電路對(duì)紋波有明顯放大效應(yīng)。

為了避免電源的紋波出現(xiàn)在危險(xiǎn)區(qū)域，一般要求ω >>ωn 0 ，工程中取ω 5ωn 0 = 。此時(shí)在ωn的點(diǎn)，LC 電路對(duì)紋波的放大倍數(shù)為25 / 24 =1.042，放大部分不超過5%。另外根據(jù)芯片的要求，u2 的壓降不能大于百分比p%，得到不等式（VI）：




化簡(jiǎn)得到不等式（VII）



將ω 5ωn 0 = 和不等式（VII）聯(lián)列得到方程組（VIII）：



求解等到不等式組（IX）：



由于實(shí)際中不存在理想電容，實(shí)際電容具有不同的濾波頻段，退耦電容常采用多種容值電容的組合，C1 就是退耦電容值的總和。L 是電感值的總和。

2 π 型LC 電源濾波電路

2.1 π 型LC 電源濾波電路模型及工作原理

由于電源系統(tǒng)提供的前端輸入電源V 實(shí)際中是一個(gè)變化的值，里面有很多紋波成分，當(dāng)0 0 <ωn < 2ω 時(shí)，LC 電路對(duì)紋波有放大作用，所以產(chǎn)生了L 型LC 濾波電路的改進(jìn)型—π 型LC 電源濾波電路（見圖二）。具體就是在電感前端增加濾波電容，形成π 型。這樣輸入電源首先要經(jīng)過一級(jí)初級(jí)濾波，然后再進(jìn)入LC 濾波電路，這樣可以有效地改善LC 濾波電路的濾波效果。

圖二 π 型LC 電源濾波電路

2.2 π 型LC 濾波電路算法分析

C2 要選擇一個(gè)合適的值，選擇過大會(huì)增加成本，過小會(huì)影響濾波效果，實(shí)踐中取C2＝C1，其構(gòu)成類似于二階巴特沃斯濾波器，巴特沃斯濾波器特點(diǎn)是通帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線最平坦，阻帶內(nèi)則逐漸下降為0，這樣可以起到更好的濾波效果。

3 LC 濾波電路的LAYOUT 設(shè)計(jì)

LAYOUT 是LC 濾波電路的重要組成部分，合理的LAYOUT 可以最大限度地體現(xiàn)設(shè)計(jì)效果，反之則會(huì)帶來額外的干擾。

3.1 π 型LC 濾波電路LAYOUT 設(shè)計(jì)



圖三 π 型LC 電源濾波電路的LAYOUT 效果圖

整個(gè)電路分為三個(gè)網(wǎng)絡(luò)平面：電源平面、芯片電源平面和地平面。為了保證電源連通效果，避免在連通的網(wǎng)絡(luò)上引起額外的壓降，所有網(wǎng)絡(luò)使用敷銅相連接。以π 型LC 濾波電路為例，整個(gè)電路LAYOUT 的效果見圖三。首先通過過孔從電源平面上引入供電電流，供電電流經(jīng)過前級(jí)濾波電容濾波后進(jìn)入電感，經(jīng)過電感扼流后輸出電流，輸出電流經(jīng)過后級(jí)退耦電容濾波后通過過孔輸送到芯片電源平面。在電源平面換層的時(shí)候要多加過孔，減小由過孔引起的感抗。另外獲取電源的區(qū)域和獲取地的區(qū)域相鄰，增加電平的精確性。

3.2 L 型LC 濾波電路LAYOUT 設(shè)計(jì)

L 型LC 濾波電路LAYOUT 設(shè)計(jì)和π 型類似，只是少了前級(jí)的濾波電容，電源是通過過孔直接進(jìn)入電感進(jìn)行扼流。

結(jié)語

文章提出的改善SSO 的LC 電源濾波電路算法與設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)LC 濾波器對(duì)于中高頻干擾有明顯抑制作用，可以有效改善SSO 問題。其缺點(diǎn)在于增加了器件，帶來成本。另外對(duì)于電流I 特別大的電路不適用，原因是相對(duì)應(yīng)的電感值很小，生產(chǎn)上難實(shí)現(xiàn)。