超大規(guī)模集成電路電源完整性設(shè)計(jì)中的濾波電容選擇

孫揚(yáng)

（思科系統(tǒng)中國(guó)研發(fā)有限公司，上海200233）

引 言

電容在高速數(shù)字信號(hào)電源完整性設(shè)計(jì)中扮演著非常重要的角色。在通常的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者使用大量不同種類的電容來(lái)解決高速電路設(shè)計(jì)中的電源噪聲問(wèn)題。一方面，新的集成電路對(duì)電源紋波和瞬態(tài)指標(biāo)要求的不斷提高給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了非常大的挑戰(zhàn)；另一方面，電容本身技術(shù)的發(fā)展日新月異，新的電容不但容量可以更大、體積更小，而且新類型的電容也在不斷出現(xiàn)，這樣就給設(shè)計(jì)者更多的選擇來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。因此，選擇最合適的電容成了設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)。本文就著重談一談在電源完整性設(shè)計(jì)中如何選擇合適的電容來(lái)滿足當(dāng)今高速大規(guī)模集成電路對(duì)電源完整性的要求。

1 電容介紹

目前市場(chǎng)上的電容種類非常多，每種電容都有各自的特點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)合。以下列舉在電源完整性設(shè)計(jì)中常常用到的幾種電容：

①陶瓷電容：薄瓷片兩面鍍金屬銀膜而成，體積小、耐壓高、價(jià)格低、頻率高、易碎、穩(wěn)定性差、容量低。

②鉭電容：用金屬鉭作為正極，在電解質(zhì)外噴上金屬作為負(fù)極，穩(wěn)定性好、容量大、高頻特性好、造價(jià)高。

③鋁電解電容：兩片鋁帶和兩層絕緣膜相互層疊，轉(zhuǎn)捆后浸泡在電解液（含酸性的合成溶液）中，容量大、高頻特性不好。

④固態(tài)電容：與鋁電解電容不同的是，固態(tài)電容采用導(dǎo)電性高分子作為介電材料，阻抗低、容量大、價(jià)格高。

要選擇合理的電容，就需要理解電容各個(gè)參數(shù)的含義，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)各個(gè)參數(shù)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景都有不同的側(cè)重。在電源完整性設(shè)計(jì)中，選擇電容時(shí)經(jīng)常會(huì)看到兩個(gè)詞：Decoupling Capacitor（去耦電容）和Bypass Capacitor（旁路電容）。在高速數(shù)字電路里有不一樣的含義，但在電源完整性分析領(lǐng)域，認(rèn)為這兩個(gè)詞表示類似的意思，其作用都是提高局部范圍內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)[1]。為什么電容能改善供電的瞬態(tài)響應(yīng)？這里給出理想電容對(duì)負(fù)載充放電的公式：

從公式可以看出，只要電容容量足夠大，即使要求的電壓變化率很小，Ic也可以非常大，理想電容可以瞬間輸出足夠大的電流來(lái)滿足負(fù)載設(shè)備對(duì)電源瞬態(tài)的需求。但在實(shí)際的電容結(jié)構(gòu)中，電容引腳會(huì)帶來(lái)等效電阻Resr和等效電感Lesl，電容兩極存在漏電電阻Rleakage。通常設(shè)計(jì)中會(huì)把一個(gè)電容的等效模型看作圖1中的電路，其中電容容量為C，Rleakage表示電容的漏電電阻，Resr表示等效串聯(lián)電阻，Lesl表示等效串聯(lián)電感。理想的電容是電容容量為C，Rleakage無(wú)窮大，Rser和Lesl為零，但理想的電容并不存在。

在低頻電路中這些寄生參數(shù)表現(xiàn)并不明顯，但在高頻電路中則不同，必須要考慮這些參數(shù)對(duì)電源完整性帶來(lái)的影響。由于Lesl的影響，電容的電流Ic無(wú)法快速變化來(lái)滿足負(fù)載電流變化的需求，因此會(huì)看到Vc的電壓波動(dòng)，這就產(chǎn)生了電源噪聲。不同的電容有不同的C/Resr/Lesl參數(shù)，沒(méi)有一種電容同時(shí)具備小體積、大容量、低Resr、低Lesl、大Rleakage、便宜等特點(diǎn)，因此如何選擇合適的電容，對(duì)電路的設(shè)計(jì)有著重要的意義。

圖1 電容等效模型

2 超大規(guī)模集成電路電源完整性設(shè)計(jì)要求

隨著芯片制程工藝的不斷改進(jìn)，芯片的核心工作電壓要求也在不斷地降低，從幾年前的5 V/3.3 V迅速降到了目前的0.8 V左右。電壓的降低帶來(lái)的是芯片核心頻率的提升以及每個(gè)門(mén)電路功耗的減小，但反過(guò)來(lái)對(duì)電源噪聲的要求卻迅速提高。另外芯片功能的增加要求芯片具有更大的規(guī)模，更大的核心面積要求更大的供電電流，并且最新省電技術(shù)要求（比如各種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)頻率、時(shí)鐘控制、休眠技術(shù)的應(yīng)用），使這些芯片對(duì)于電流瞬態(tài)響應(yīng)的要求變得非?？量獭?/p>

原先的集成電路只有1～10 A的負(fù)載電流變化，而現(xiàn)在的負(fù)載變化幅度高達(dá)100 A并且改變率要求500 A/μs以上。電源噪聲的大小與最大電流變化率di/dt成正比[2]，因此更大的電流變化率必然帶來(lái)更大的噪聲。原先5 V/3.3 V器件可以容忍超過(guò)100 m V的電源峰-峰噪聲，而現(xiàn)在的芯片由于I/O速度的提高，核心供電電壓的降低，對(duì)供電電路噪聲的要求提高到了10～20 m V，其中不僅僅包含了本身的電源紋波、白噪聲，還包含了在負(fù)載電流瞬態(tài)變化中產(chǎn)生的噪聲。這不僅對(duì)電源噪聲的測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求，而且成為電源設(shè)計(jì)者所面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。

3 芯片電源引腳去耦電容

以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)都是在芯片的電源引腳附近放置一顆0603封裝、0.1μF的陶瓷電容來(lái)濾掉芯片I/O在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的噪聲。隨著陶瓷電容技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今的趨勢(shì)是使用小封裝0402以下的1μF陶瓷電容來(lái)代替，理由如下：

①0402封裝的陶瓷電容Lesl值更低，0603封裝的通常在0.3 n H左右，0402封裝的可以低到0.15 n H，加上引腳到電源平面的電感，使用0402封裝的電容也可以比0603封裝的電容小20%左右的等效電感。更小的Lesl帶來(lái)了更低的等效阻抗，也就意味著有更多的紋波電流可以被電容旁路。

②上百個(gè)1μF的陶瓷電容并聯(lián)可以提供一定的電容量，來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)的要求。而如果只放0.1μF的陶瓷電容，并聯(lián)后的容量只有1μF的1/10，這樣還需要多加大容量的電容來(lái)改善電源平面的瞬態(tài)指標(biāo)。

③0402封裝的電容封裝足夠小，在很多1 mm或者0.8 mm的BGA反面可以順利地在每個(gè)電源引腳上加一個(gè)電容。

④0402封裝的1μF電容已經(jīng)普及，價(jià)格很低，不會(huì)影響到整個(gè)板子的BOM成本。

⑤從圖2所示的阻抗特性來(lái)看，0402封裝的1μF電容也能替代0603封裝的0.1μF電容。可以發(fā)現(xiàn)0402的線幾乎已經(jīng)覆蓋0603的線的阻抗范圍，只有在30 MHz附近0402的線稍弱于0603。這說(shuō)明，隨著電容技術(shù)的進(jìn)步，在絕大多數(shù)的電源完整性設(shè)計(jì)中小封裝的1μF電容已經(jīng)可以替代0.1μF電容應(yīng)用。

圖2 1μF 0402電容和0.1μF 0603電容阻抗比較

⑥更大的電容容值C得到了更大的濾波范圍和更低的等效阻抗。圖2中1μF電容在20 MHz以前的等效阻抗要明顯低于0.1μF電容。

在1μF電容類型的選擇上，陶瓷電容是目前比較合適的選擇。雖然陶瓷電容中也有Y5V、X7R、NPO等的區(qū)別，但在這里電容的容量精度不敏感，誤差20%以內(nèi)都是可以接受的，所以無(wú)需選擇比X7R更好的電容，而X5R相比Y5V溫度特性更好，而且價(jià)格也同樣低廉，所以0402的X5R/X7R 1μF陶瓷電容是比較通用的選擇。

這里需要注意的是對(duì)溫度和電源直流電壓的額降。通常X5R的溫度上限是85℃，如果電容附近的溫度比較高，比如在非常熱的大芯片附近，需要考慮一定的溫度額降，那么X6S或者X7R的1μF會(huì)是非常合適的選擇。

4 大瞬態(tài)電流的去耦電容

如果高速芯片自帶電源去耦電容，那么在PCB板的布局上對(duì)這一路電源可以不放或者少放0.1μF、1μF的陶瓷電容，直接根據(jù)芯片電源瞬態(tài)響應(yīng)的要求布上足夠多的10～47μF的陶瓷電容。原因很簡(jiǎn)單，由于芯片封裝的引腳必然存在一定的Resr和Lesl，因此在芯片內(nèi)部放置去耦電容的效果要遠(yuǎn)好于外部PCB反面或者引腳旁邊的去耦電容。如果芯片已經(jīng)內(nèi)置了去耦電容，在PCB反面放置10～47 μF的陶瓷電容來(lái)改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)效果。

為了應(yīng)對(duì)芯片本身大電流瞬變的響應(yīng)要求，陶瓷的10μF/22μF/47μF會(huì)是非常好的選擇。目前的工藝可以在0805封裝下做到47μF的電容量，而且價(jià)格低廉。如果芯片要求的變化率在幾百A/μs左右，則需要放置大量（幾十顆到上百顆）22μF/47μF的陶瓷電容來(lái)滿足要求。

設(shè)計(jì)者過(guò)去通常會(huì)選擇一些低端的10μF/22μF鉭電容來(lái)完成這一任務(wù)，但通常容量較小的鉭電容有比較大的Resr，低端的鉭電容可以有幾歐姆的Resr值。從下面的公式可以看出，當(dāng)紋波電流變大以后，較高的Resr必將產(chǎn)生較高的紋波電壓。

V＝Resr·I

對(duì)早期的芯片來(lái)說(shuō)，電流變化率較小，而且因?yàn)樾酒ぷ麟妷焊?，容忍的噪聲也高，所以并?lián)一些幾Ω的Resr鉭電容也能接受。但當(dāng)今芯片對(duì)瞬變時(shí)的電壓變化要求有上百倍的提高，因此鉭電容過(guò)高的Resr使其越來(lái)越不適應(yīng)具有大瞬態(tài)低噪聲要求的高速芯片。與此同時(shí)，多層陶瓷電容技術(shù)的普及使陶瓷電容的容量越來(lái)越大，目前陶瓷電容是非常好的選擇。它的Resr非常低，通常小于0.5 mΩ，并且容量可以達(dá)到22μF/47μF、0805封裝的水平。

當(dāng)然陶瓷電容的缺陷在于它的電壓/溫度穩(wěn)定性不及鉭電容。通常X5R/X7R的溫度穩(wěn)定性都能接受，但電壓穩(wěn)定性卻是很容易忽視的一個(gè)問(wèn)題。X5R/X7R材質(zhì)的電容對(duì)直流電壓敏感，在電容加上直流電壓時(shí)，材質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)降低，導(dǎo)致電容容量下降。陶瓷電容的標(biāo)稱電容容值通常是在1 k Hz、1 V等效AC電壓、直流偏壓為0 V情況下測(cè)到的，當(dāng)用在1 V左右DC電壓的環(huán)境中，變化會(huì)比較小，但如果是用在前級(jí)12 V或者5 V電路中，容量額降會(huì)比較大，需要選擇更大的電容來(lái)達(dá)到效果。一顆16 V/22μF的電容在DC＝5 V時(shí)容量大概下降到了一半，為11μF，如圖3所示。所幸?guī)缀跄壳八行≈瞥檀蠊牡男酒绷麟妷憾挤浅５?，正常的都? V左右，一些帶了內(nèi)部電壓變換器的也小于2 V。因此此處使用陶瓷電容不管在價(jià)格/性能還是體積上都是非常合適的。這里筆者推薦的是0805封裝的X5R 22μF/47μF電容。

5 開(kāi)關(guān)電源輸入/輸出電容

圖3 16V 22μF電容直流額降

開(kāi)關(guān)電源輸入/輸出電容選擇比較多，而且不同的產(chǎn)品考慮的側(cè)重點(diǎn)也不同，導(dǎo)致最后的選擇不同，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)自己產(chǎn)品的需求做平衡。這里的電容比較關(guān)注的是其Resr的特性，因?yàn)闊o(wú)論在輸入側(cè)還是輸出側(cè)，電容都擔(dān)負(fù)著吸收紋波電流、減小電源噪聲的重要使命。

這里不得不提到電解電容和固態(tài)電容的區(qū)別。固態(tài)電容全稱是固態(tài)導(dǎo)電高分子聚合物鋁/鉭電解電容。雖然固態(tài)電容的價(jià)格是鋁電解電容的數(shù)倍（2～5倍），但通常固態(tài)電容的Resr是相同容量體積鋁電解電容的1/3或者更低，因此能容忍相比于普通電解電容幾倍的紋波電流，在一些大電流（例如CPU）動(dòng)態(tài)VID變化的應(yīng)用中得到了非常廣泛的應(yīng)用。固態(tài)電容通常分扁方塊狀的表貼電容和圓柱狀的插裝/表貼兩種。圓柱狀的由于有插針而帶來(lái)較大的引線電感，但價(jià)格便宜，而新的表貼固態(tài)電容使用了3個(gè)Pad來(lái)達(dá)到極低的Resr（＜4 mΩ），但是這種電容價(jià)格稍高。具體的選擇完全看系統(tǒng)對(duì)成本的敏感程度以及性能的需求。圖4比較了在相同的6～60 A負(fù)載電流變化時(shí)，電容ESR值對(duì)輸出電壓的影響。電源加上4顆25 mΩResr1000μF的電容時(shí)輸出電壓p-p值為300 m V而改為4顆9 mΩResr1000μF的電容時(shí)輸出電壓p-p值為195 m V。

由于通常輸入電壓比較高，大功率系統(tǒng)往往為6～24 V，不推薦大容量的陶瓷電容作為輸入電容，直流額降太大，推薦使用固態(tài)電容和中等容量陶瓷電容的組合，比如180μF/220μF的16 V固態(tài)電容、10μF/25 V的陶瓷電容以及0.1μF/25 V的陶瓷電容。

①對(duì)于小電流的電源（＜5 A），或者要求不高的普通電源，低電壓的輸出電容可以用陶瓷電容，高電壓的可以用鉭電容。優(yōu)先考慮成本，性能反而顯得不太重要。

②單相大電流電源（＞15 A）使用固態(tài)電容作為輸出電容是非常好的做法，比如10 mΩResr左右的多顆300 μF/470μF的固態(tài)電容是性價(jià)比很高的選擇。

③一些多相大電流大瞬態(tài)要求較高的電源可用低Resr固態(tài)電容加幾十顆22μF/47μF的陶瓷電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如N×5 mΩ470μF固態(tài)電容和N×47μF陶瓷電容的組合。固態(tài)電容為電感上的紋波電流提供通路，而陶瓷電容用來(lái)滿足高于電源控制器響應(yīng)速度的瞬態(tài)電流的需求。

圖4 負(fù)載電流6～60A變化時(shí)電壓波形

結(jié) 語(yǔ)

在電源完整性設(shè)計(jì)中，用一種電容很難滿足所有的要求。通?？梢栽陔娫吹妮斎?輸出側(cè)放置大容量、低Resr的470μF/5 mΩ固態(tài)電容來(lái)吸收電流紋波，在靠近集成電路側(cè)放置22μF/47μF的陶瓷電容來(lái)滿足對(duì)電源大電流瞬態(tài)響應(yīng)的需求，而在集成電路BGA封裝引腳上放置1μF的陶瓷電容濾除高頻噪聲。通過(guò)這些不同種類不同容值電容的組合，來(lái)滿足集成電路對(duì)電源完整性設(shè)計(jì)的要求。不同的條件下，如何合理地選擇適當(dāng)?shù)碾娙輰?duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是必備的知識(shí)，適當(dāng)?shù)厥褂靡恍┬滦吞沾呻娙莺凸虘B(tài)電容的組合對(duì)電源完整性設(shè)計(jì)會(huì)有很大的幫助。

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