超大規模集成電路電源完整性設計中的濾波電容選擇

孫揚

（思科系統中國研發有限公司，上海200233）

引 言

電容在高速數字信號電源完整性設計中扮演著非常重要的角色。在通常的設計中，設計者使用大量不同種類的電容來解決高速電路設計中的電源噪聲問題。一方面，新的集成電路對電源紋波和瞬態指標要求的不斷提高給設計者帶來了非常大的挑戰；另一方面，電容本身技術的發展日新月異，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，這樣就給設計者更多的選擇來應對這些挑戰。因此，選擇最合適的電容成了設計中非常重要的一環。本文就著重談一談在電源完整性設計中如何選擇合適的電容來滿足當今高速大規模集成電路對電源完整性的要求。

1 電容介紹

目前市場上的電容種類非常多，每種電容都有各自的特點以及應用場合。以下列舉在電源完整性設計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、價格低、頻率高、易碎、穩定性差、容量低。

②鉭電容：用金屬鉭作為正極，在電解質外噴上金屬作為負極，穩定性好、容量大、高頻特性好、造價高。

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

④固態電容：與鋁電解電容不同的是，固態電容采用導電性高分子作為介電材料，阻抗低、容量大、價格高。

要選擇合理的電容，就需要理解電容各個參數的含義，對設計者來說各個參數在不同的應用場景都有不同的側重。在電源完整性設計中，選擇電容時經常會看到兩個詞：Decoupling Capacitor（去耦電容）和Bypass Capacitor（旁路電容）。在高速數字電路里有不一樣的含義，但在電源完整性分析領域，認為這兩個詞表示類似的意思，其作用都是提高局部范圍內的瞬態響應[1]。為什么電容能改善供電的瞬態響應？這里給出理想電容對負載充放電的公式：

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滿足負載設備對電源瞬態的需求。但在實際的電容結構中，電容引腳會帶來等效電阻Resr和等效電感Lesl，電容兩極存在漏電電阻Rleakage。通常設計中會把一個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表示等效串聯電阻，Lesl表示等效串聯電感。理想的電容是電容容量為C，Rleakage無窮大，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表現并不明顯，但在高頻電路中則不同，必須要考慮這些參數對電源完整性帶來的影響。由于Lesl的影響，電容的電流Ic無法快速變化來滿足負載電流變化的需求，因此會看到Vc的電壓波動，這就產生了電源噪聲。不同的電容有不同的C/Resr/Lesl參數，沒有一種電容同時具備小體積、大容量、低Resr、低Lesl、大Rleakage、便宜等特點，因此如何選擇合適的電容，對電路的設計有著重要的意義。

圖1 電容等效模型

2 超大規模集成電路電源完整性設計要求

隨著芯片制程工藝的不斷改進，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。電壓的降低帶來的是芯片核心頻率的提升以及每個門電路功耗的減小，但反過來對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，并且最新省電技術要求（比如各種動態調節頻率、時鐘控制、休眠技術的應用），使這些芯片對于電流瞬態響應的要求變得非常苛刻。

原先的集成電路只有1～10 A的負載電流變化，而現在的負載變化幅度高達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更大的噪聲。原先5 V/3.3 V器件可以容忍超過100 m V的電源峰-峰噪聲，而現在的芯片由于I/O速度的提高，核心供電電壓的降低，對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，還包含了在負載電流瞬態變化中產生的噪聲。這不僅對電源噪聲的測量技術提出了更高的要求，而且成為電源設計者所面對的巨大挑戰。

3 芯片電源引腳去耦電容

以往的設計經驗都是在芯片的電源引腳附近放置一顆0603封裝、0.1μF的陶瓷電容來濾掉芯片I/O在驅動負載時產生的噪聲。隨著陶瓷電容技術的發展，當今的趨勢是使用小封裝0402以下的1μF陶瓷電容來代替，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1μF的陶瓷電容并聯可以提供一定的電容量，來改善瞬態響應的要求。而如果只放0.1μF的陶瓷電容，并聯后的容量只有1μF的1/10，這樣還需要多加大容量的電容來改善電源平面的瞬態指標。

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電源引腳上加一個電容。

④0402封裝的1μF電容已經普及，價格很低，不會影響到整個板子的BOM成本。

⑤從圖2所示的阻抗特性來看，0402封裝的1μF電容也能替代0603封裝的0.1μF電容。可以發現0402的線幾乎已經覆蓋0603的線的阻抗范圍，只有在30 MHz附近0402的線稍弱于0603。這說明，隨著電容技術的進步，在絕大多數的電源完整性設計中小封裝的1μF電容已經可以替代0.1μF電容應用。

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等的區別，但在這里電容的容量精度不敏感，誤差20%以內都是可以接受的，所以無需選擇比X7R更好的電容，而X5R相比Y5V溫度特性更好，而且價格也同樣低廉，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會是非常合適的選擇。

4 大瞬態電流的去耦電容

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，直接根據芯片電源瞬態響應的要求布上足夠多的10～47μF的陶瓷電容。原因很簡單，由于芯片封裝的引腳必然存在一定的Resr和Lesl，因此在芯片內部放置去耦電容的效果要遠好于外部PCB反面或者引腳旁邊的去耦電容。如果芯片已經內置了去耦電容，在PCB反面放置10～47 μF的陶瓷電容來改善電源的瞬態響應效果。

為了應對芯片本身大電流瞬變的響應要求，陶瓷的10μF/22μF/47μF會是非常好的選擇。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的陶瓷電容來滿足要求。

設計者過去通常會選擇一些低端的10μF/22μF鉭電容來完成這一任務，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，當紋波電流變大以后，較高的Resr必將產生較高的紋波電壓。

V＝Resr·I

對早期的芯片來說，電流變化率較小，而且因為芯片工作電壓高，容忍的噪聲也高，所以并聯一些幾Ω的Resr鉭電容也能接受。但當今芯片對瞬變時的電壓變化要求有上百倍的提高，因此鉭電容過高的Resr使其越來越不適應具有大瞬態低噪聲要求的高速芯片。與此同時，多層陶瓷電容技術的普及使陶瓷電容的容量越來越大，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，并且容量可以達到22μF/47μF、0805封裝的水平。

當然陶瓷電容的缺陷在于它的電壓/溫度穩定性不及鉭電容。通常X5R/X7R的溫度穩定性都能接受，但電壓穩定性卻是很容易忽視的一個問題。X5R/X7R材質的電容對直流電壓敏感，在電容加上直流電壓時，材質的介電常數會降低，導致電容容量下降。陶瓷電容的標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情況下測到的，當用在1 V左右DC電壓的環境中，變化會比較小，但如果是用在前級12 V或者5 V電路中，容量額降會比較大，需要選擇更大的電容來達到效果。一顆16 V/22μF的電容在DC＝5 V時容量大概下降到了一半，為11μF，如圖3所示。所幸幾乎目前所有小制程大功耗的芯片直流電壓都非常低，正常的都在1 V左右，一些帶了內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 開關電源輸入/輸出電容

圖3 16V 22μF電容直流額降

開關電源輸入/輸出電容選擇比較多，而且不同的產品考慮的側重點也不同，導致最后的選擇不同，設計者需要根據自己產品的需求做平衡。這里的電容比較關注的是其Resr的特性，因為無論在輸入側還是輸出側，電容都擔負著吸收紋波電流、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電容的區別。固態電容全稱是固態導電高分子聚合物鋁/鉭電解電容。雖然固態電容的價格是鋁電解電容的數倍（2～5倍），但通常固態電容的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）動態VID變化的應用中得到了非常廣泛的應用。固態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較大的引線電感，但價格便宜，而新的表貼固態電容使用了3個Pad來達到極低的Resr（＜4 mΩ），但是這種電容價格稍高。具體的選擇完全看系統對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負載電流變化時，電容ESR值對輸出電壓的影響。電源加上4顆25 mΩResr1000μF的電容時輸出電壓p-p值為300 m V而改為4顆9 mΩResr1000μF的電容時輸出電壓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，推薦使用固態電容和中等容量陶瓷電容的組合，比如180μF/220μF的16 V固態電容、10μF/25 V的陶瓷電容以及0.1μF/25 V的陶瓷電容。

①對于小電流的電源（＜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的固態電容是性價比很高的選擇。

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

圖4 負載電流6～60A變化時電壓波形

結 語

在電源完整性設計中，用一種電容很難滿足所有的要求。通常可以在電源的輸入/輸出側放置大容量、低Resr的470μF/5 mΩ固態電容來吸收電流紋波，在靠近集成電路側放置22μF/47μF的陶瓷電容來滿足對電源大電流瞬態響應的需求，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。通過這些不同種類不同容值電容的組合，來滿足集成電路對電源完整性設計的要求。不同的條件下，如何合理地選擇適當的電容對設計者來說是必備的知識，適當地使用一些新型陶瓷電容和固態電容的組合對電源完整性設計會有很大的幫助。

[1]邵鵬.信號/電源完整性仿真分析與實踐[M].北京：電子工業出版社，2013：76-77.

[2]韋素芬，梁宇.深亞微米SoC設計的去耦電容優化方法學[J].大眾科技，2010（1）：47-49.

[3]劉泳澎.導電高分子聚合物固態電解電容器特性研究[J].IT時代周刊論文專版，2014（14）：153-158.