通過LC 電源濾波電路改善SSO 的算法與設(shè)計(jì)

摘 要：通過LC 濾波電路對芯片的供電系統(tǒng)進(jìn)行濾波是改善同步輸出開關(guān)噪聲的重要手段，文章針對該課題提出了一種改善SSO 的LC 電源濾波電路算法與設(shè)計(jì)。首先提出了L 型LC 濾波電路的等效模型，介紹了其具體工作原理，并通過理論推導(dǎo)給出了內(nèi)部參數(shù)的定量計(jì)算公式；然后根據(jù)L 型濾波電路的缺陷，引入了π型LC 濾波電路等效模型，并介紹了其工作原理和相應(yīng)的參數(shù)取值；接著給出了LC 濾波電路的LAYOUT 設(shè)計(jì)的要求。最后是關(guān)于該設(shè)計(jì)電路的總結(jié)。

　　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，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）化簡后得到二階微分方程（II）

解微分方程（II）得到特解：