超大规模集成电路电源完整性设计中的滤波电容选择 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

超大规模集成电路电源完整性设计中的滤波电容选择
孙扬
思科系统中国研发有限公司,上海
摘要集成电路技术的迅速发展对电源完整性设计提出了更高的要求设计者通常通过放置各种电容来降低电源噪声
以及应对负载瞬态大电流的需求讨论了电容技术发展对电源完整性设计带来的影响同时通过对几种典型电容特性
的分析给出了在电源完整性设计中合理选择使用各种滤波电容的解决方案
关键词电容电源完整性滤波瞬态电流
中图分类号文献标识码
作为负极,稳定性好、容量大、高频特性好、造价高。
引言
铝电解电容:两片铝带和两层绝缘膜相互层叠,转
电容在高速数字信号电源完整性设计中扮演着非常捆后浸泡在电解液含酸性的合成溶液中,容量大、高频
重要的角色。在通常的设计中,设计者使用大量不同种类
特性不好。
的电容来解决高速电路设计中的电源噪声问题方面固态电容:与铝电解电容不同的是,固态电容采用
新的集成电路对电源纹波和瞬态指标要求的不断提高给导电性高分子作为介电材料,阻抗低、容量大、价格高。
设计者带来了非常大的挑战;另方面,电容本身技术的 ,
要选择合理的电容就需要理解电容各个参数的含
发展日新月异新的电容不但容量可以更大体积更小而义,对设计者来说各个参数在不同的应用场景都有不同的
且新类型的电容也在不断出现,这样就给设计者更多的选侧重。在电源完整性设计中,选择电容时经常会看到两个
择来应对这些挑战。因此,选择最合适的电容成了设计中 :
词去耦电容和
非常重要的环。本文就着重谈谈在电源完整性设计
旁路电容。在高速数字电路里有不样的含义,但在电
中如何选择合适的电容来满足当今高速大规模集成电路源完整性分析领域,认为这两个词表示类似的意思,其作
对电源完整性的要求。
用都是提高局部范围内的瞬态响应 。为什么电容能改
善供电的瞬态响应这里给出理想电容对负载充放电的
电容介绍
公式:
目前市场上的电容种类非常多每种电容都有各自的
特点以及应用场合。以下列举在电源完整性设计中常常
从公式可以看出,只要电容容量足够大,即使要求的
用到的几种电容:
: , 、电压变化率很小也可以非常大理想电容可以瞬间输
陶瓷电容薄瓷片两面镀金属银膜而成体积小 Ic
出足够大的电流来满足负载设备对电源瞬态的需求。但
耐压高、价格低、频率高、易碎、稳定性差、容量低。
钽电容:用金属钽作为正极,在电解质外喷上金属在实际的电容结构中,电容引脚会带来等效电阻和等
敬请登录网站在线投稿年第期
20155 21效电感 ,电容两极存在常在左右,封装的可以低到 ,加上
漏电电阻 。通常设计引脚到电源平面的电感,使用封装的电容也可以比
超大规模集成电路电源完整性设计中的滤波电容选择
封装的电容小左右的等效电感。更小的带
中会把个电容的等效模 0603 20 L
来了更低的等效阻抗也就意味着有更多的纹波电流可以
型看作图中的电路,其中图电容等效模型
孙扬
被电容旁路。
电容容量为 ,表示电容的漏电电阻,表示等效
上百个的陶瓷电容并联可以提供定的电
思科系统中国研发有限公司,②上海 1F
串联电阻,表示等效串联电感。理想的电容是电容容 200233
容量,来改善瞬态响应的要求。而如果只放的陶
量为 ,无穷大,和为零,但理想的电容并不 μ
瓷电容并联后的容量只有的这样还需要多加
摘要集成电路技术的迅速发展对电源完整性设计提出了更高的要求设计者通常通过放μ置各种电容来降低电源噪声
存在。
大容量的电容来改善电源平面的瞬态指标。
以及应对负载瞬态大电流的需求讨论了电容技术发展对电源完整性设计带来的影响同时通过对几种典型电容特性
在低频电路中这些寄生参数表现并不明显,但在高频
封装的电容封装足够小在很多或者
的电路分中析则给不出同了,必在须电要源考完虑整这性些设参计数中对合电理源选完择整使性用带各种来滤的波电容的解决方案
的反面可以顺利地在每个电源引脚上加
关影响键词。由电于容的电影源响完,整电性容的滤电波流瞬态无电法流快速变化来满
个电容。
足负载电流变:化的需求,因此会看到的:电压波动,这就
中图分类号文献标识V码
封装的电容已经普及,价格很低,不会
产生了电源噪声不同的电容有不同的参数
影响到整个板子的成本。
没有种电容同时具备小体积、大容量、低 、低 、大
从图所示的阻抗特性来看,封装的电
便宜等特点因此如何选择合适的电容对电路的
容也能替代封装的电容。可以发现的
设计有着重要的意义。
线几乎已经覆盖的线的阻抗范围只有在
超大规模集成电路电源完整性设计要求附近的线稍弱于 。这说明,随着电容技术的进
步在绝大多数的电源完整性设计中小封装的电容
随着芯片制程工艺的不断改进,芯片的核心工作电压
已经可以替代电容应用。
要求也在不断地降低,从几年前的 迅速降到
了目前的左右。电压的降低带来的是芯片核心频
率的提升以及每个门电路功耗的减小,但反过来对电源噪
声的要求却迅速提高。另外芯片功能的增加要求芯片具
有更大的规模,更大的核心面积要求更大的供电电流,并
、 、作为负极,稳定性好、容量大、高频特性好、造价高。
且最新省电技术要求比如各种动态调节频率时钟控制
引言
休眠技术的应用,使这些芯片对于电流瞬态响应的要求铝电解电容:两片铝带和两层绝缘膜相互层叠,转
变得非电常容在苛高刻速数字信号电源完整性设计中扮演着非常捆后浸泡在电解液含酸性的合成溶液中,容量大、高频
原先的集成电路只有的负载电流变化,而现
重要的角色。在通常的设计1中1,0设A计者使用大量不同种类
特性不好。
在的负载变化幅度高达并且改变率要求
的电容来解决高速电路设计中的电源噪声问题方面μ固态电容:与铝电解电容不同的是,固态电容采用
以上。电源噪声的大小与最大电流变化率 成正
新的集成电路对电源纹波和瞬态指标要求的不断提高给导电性高分子作为介电材料,阻抗低、容量大、价格高。
比因此更大的电流变化率必然带来更大的噪声原先
设计者带来了非常大的挑战;另方面,电容本身技术的 ,
要选择合理的电容就需要理解电容各个参数的含
器件可以容忍超过的电源峰峰噪
发展日新月异新的电容不但容量可以更大体积更小而义,对设计者来说各个参数在不同的应用场景都有不同的
图电容和电容阻抗比较
声,而现在的芯片由于 速度的提高,核心供电电压的
且新类型的电容也在不断出现,这样就给设计者更多的选侧重。在电源完整性设计中,选择电容时经常会看到两个
更大的电容容值得到了更大的滤波范围和更低
降低,对供电电路噪声的要求提高到了 ,其中
择来应对这些挑战。因此,选择最合适的电容成了设计中 :
词去耦电容和
的等效阻抗。图中电容在以前的等效阻
不仅仅包含了本身的电源纹波、白噪声,还包含了在负载
非常重要的环。本文就着重谈谈在电源完整性设计
旁路电容。在高速数字电路里有不样的含义,但在电
抗要明显低于电容
电流瞬态变化中产生的噪声。这不仅对电源噪声的测量
中如何选择合适的电容来满足当今高速大规模集成电路源完整性分析领域,认为这两个词表示类似的意思,其作
在电容类型的选择上,陶瓷电容是目前比较合