通過(guò)LC 電源濾波電路改善SSO 的算法與設計

摘 要：通過(guò)LC 濾波電路對芯片的供電系統進(jìn)行濾波是改善同步輸出開(kāi)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計。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(guò)理論推導給出了內部參數的定量計算公式；然后根據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的參數取值；接著(zhù)給出了LC 濾波電路的LAYOUT 設計的要求。最后是關(guān)于該設計電路的總結。

　　0 引 言

　　CMOS 技術(shù)的發(fā)展使得芯片的集成度越來(lái)越高，單一芯片所擁有的IO 數量也越來(lái)越多，當這些芯片大量應用在高速數字系統中，同步開(kāi)關(guān)噪聲就顯得非常突出。

　　同步開(kāi)關(guān)噪聲（SSN）是由IO 輸出緩沖同時(shí)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的，也稱(chēng)作同步開(kāi)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（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(zhù)一段距離，在這段路徑上存在著(zhù)阻抗，從集中模型來(lái)看，相當于串聯(lián)了集中分布的電阻和電感元件。當一定數量的CMOS 輸出驅動(dòng)電路同時(shí)打開(kāi)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)生感應電動(dòng)勢，引起芯片電源輸入端的供給凈電壓不足或過(guò)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，可以起到穩壓的作用，但是由于電源平面和芯片電源平面沒(méi)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，最終傳導到SSO 上，使得SSO 惡化。本文提出了L 型和π 型LC 濾波電路設計方案，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(wèn)題。下面是詳細的介紹和分析。

　　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(jiàn)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，起到穩壓的作用。SSO 可以等效成一個(gè)瞬時(shí)開(kāi)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(kāi)，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SSO 同時(shí)開(kāi)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(guò)電感L 對電容進(jìn)行充電。通過(guò)這樣反復的充放電過(guò)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。從頻譜角度看，LC 構成了一個(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：