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200233）

引 言

电容在高速数字信号电源完整性设计中扮演着非常重要的角色。在通常的设计中，设计者使用大量不同种类的电容来解决高速电路设计中的电源噪声问题。一方面，新的集成电路对电源纹波和瞬态指标要求的不断提高给设计者带来了非常大的挑战；另一方面，电容本身技术的发展日新月异，新的电容不但容量可以更大、体积更小，而且新类型的电容也在不断出现，这样就给设计者更多的选择来应对这些挑战。因此，选择最合适的电容成了设计中非常重要的一环。本文就着重谈一谈在电源完整性设计中如何选择合适的电容来满足当今高速大规模集成电路对电源完整性的要求。

1 电容介绍

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用到的几种电容：

①陶瓷电容：薄瓷片两面镀金属银膜而成，体积小、耐压高、价格低、频率高、易碎、稳定性差、容量低。

②钽电容：用金属钽作为正极，在电解质外喷上金属作为负极，稳定性好、容量大、高频特性好、造价高。

③铝电解电容：两片铝带和两层绝缘膜相互层叠，转捆后浸泡在电解液（含酸性的合成溶液）中，容量大、高频特性不好。

④固态电容：与铝电解电容不同的是，固态电容采用导电性高分子作为介电材料，阻抗低、容量大、价格高。

要选择合理的电容，就需要理解电容各个参数的含义，对设计者来说各个参数在不同的应用场景都有不同的侧重。在电源完整性设计中，选择电容时经常会看到两个词：Decoupling Capacitor（去耦电容）和Bypass Capacitor（旁路电容）。在高速数字电路里有不一样的含义，但在电源完整性分析领域，认为这两个词表示类似的意思，其作用都是提高局部范围内的瞬态响应[1]。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公式：

从公式可以看出，只要电容容量足够大，即使要求的电压变化率很小，Ic也可以非常大，理想电容可以瞬间输出足够大的电流来满足负载设备对电源瞬态的需求。但在实际的电容结构中，电容引脚会带来等效电阻Resr和等效电感Lesl，电容两极存在漏电电阻Rleakage。通常设计中会把一个电容的等效模型看作图1中的电路，其中电容容量为C，Rleakage表示电容的漏电电阻，Resr表示等效串联电阻，Lesl表示等效串联电感。理想的电容是电容容量为C，Rleakage无穷大，Rser和Lesl为零，但理想的电容并不存在。

在低频电路中这些寄生参数表现并不明显，但在高频电路中则不同，必须要考虑这些参数对电源完整性带来的影响。由于Lesl的影响，电容的电流Ic无法快速变化来满足负载电流变化的需求，因此会看到Vc的电压波动，这就产生了电源噪声。不同的电容有不同的C/Resr/Lesl参数，没有一种电容同时具备小体积、大容量、低Resr、低Lesl、大Rleakage、便宜等特点，因此如何选择合适的电容，对电路的设计有着重要的意义。

图1 电容等效模型

2 超大规模集成电路电源完整性设计要求

随着芯片制程工艺的不断改进，芯片的核心工作电压要求也在不断地降低，从几年前的5 V/3.3 V迅速降到了目前的0.8 V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，并且最新省电技术要求（比如各种动态调节频率、时钟控制、休眠技术的应用），使这些芯片对于电流瞬态响应的要求变得非常苛刻。

原先的集成电路只有1～10 A的负载电流变化，而现在的负载变化幅度高达100 A并且改变率要求500 A/μs以上。电源噪声的大小与最大电流变化率di/dt成正比[2]，因此更大的电流变化率必然带来更大的噪声。原先5 V/3.3 V器件可以容忍超过100 m V的电源峰-峰噪声，而现在的芯片由于I/O速度的提高，核心供电电压的降低，对供电电路噪声的要求提高到了10～20 m V，其中不仅仅包含了本身的电源纹波、白噪声，还包含了在负载电流瞬态变化中产生的噪声。这不仅对电源噪声的测量技术提出了更高的要求，而且成为电源设计者所面对的巨大挑战。

3 芯片电源引脚去耦电容

以往的设计经验都是在芯片的电源引脚附近放置一颗0603封装、0.1μF的陶瓷电容来滤掉芯片I/O在驱动负载时产生的噪声。随着陶瓷电容技术的发展，当今的趋势是使用小封装0402以下的1μF陶瓷电容来代替，理由如下：

①0402封装的陶瓷电容Lesl值更低，0603封装的通常在0.3 n H左右，0402封装的可以低到0.15 n H，加上引脚到电源平面的电感，使用0402封装的电容也可以比0603封装的电容小20%左右的等效电感。更小的Lesl带来了更低的等效阻抗，也就意味着有更多的纹波电流可以被电容旁路。

②上百个1μF的陶瓷电容并联可以提供一定的电容量，来改善瞬态响应的要求。而如果只放0.1μF的陶瓷电容，并联后的容量只有1μF的1/10，这样还需要多加大容量的电容来改善电源平面的瞬态指标。

③0402封装的电容封装足够小，在很多1 mm或者0.8 mm的BGA反面可以顺利地在每个电源引脚上加一个电容。

④0402封装的1μF电容已经普及，价格很低，不会影响到整个板子的BOM成本。

⑤从图2所示的阻抗特性来看，0402封装的1μF电容也能替代0603封装的0.1μF电容。可以发现0402的线几乎已经覆盖0603的线的阻抗范围，只有在30 MHz附近0402的线稍弱于0603。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1μF电容已经可以替代0.1μF电容应用。

图2 1μF 0402电容和0.1μF 0603电容阻抗比较

⑥更大的电容容值C得到了更大的滤波范围和更低的等效阻抗。图2中1μF电容在20 MHz以前的等效阻抗要明显低于0.1μF电容。

在1μF电容类型的选择上，陶瓷电容是目前比较合适的选择。虽然陶瓷电容中也有Y5V、X7R、NPO等的区别，但在这里电容的容量精度不敏感，误差20%以内都是可以接受的，所以无需选择比X7R更好的电容，而X5R相比Y5V温度特性更好，而且价格也同样低廉，所以0402的X5R/X7R 1μF陶瓷电容是比较通用的选择。

这里需要注意的是对温度和电源直流电压的额降。通常X5R的温度上限是85℃，如果电容附近的温度比较高，比如在非常热的大芯片附近，需要考虑一定的温度额降，那么X6S或者X7R的1μF会是非常合适的选择。

4 大瞬态电流的去耦电容

如果高速芯片自带电源去耦电容，那么在PCB板的布局上对这一路电源可以不放或者少放0.1μF、1μF的陶瓷电容，直接根据芯片电源瞬态响应的要求布上足够多的10～47μF的陶瓷电容。原因很简单，由于芯片封装的引脚必然存在一定的Resr和Lesl，因此在芯片内部放置去耦电容的效果要远好于外部PCB反面或者引脚旁边的去耦电容。如果芯片已经内置了去耦电容，在PCB反面放置10～47 μF的陶瓷电容来改善电源的瞬态响应效果。

为了应对芯片本身大电流瞬变的响应要求，陶瓷的10μF/22μF/47μF会是非常好的选择。目前的工艺可以在0805封装下做到47μF的电容量，而且价格低廉。如果芯片要求的变化率在几百A/μs左右，则需要放置大量（几十颗到上百颗）22μF/47μF的陶瓷电容来满足要求。

设计者过去通常会选择一些低端的10μF/22μF钽电容来完成这一任务，但通常容量较小的钽电容有比较大的Resr，低端的钽电容可以有几欧姆的Resr值。从下面的公式可以看出，当纹波电流变大以后，较高的Resr必将产生较高的纹波电压。

V＝Resr·I

对早期的芯片来说，电流变化率较小，而且因为芯片工作电压高，容忍的噪声也高，所以并联一些几Ω的Resr钽电容也能接受。但当今芯片对瞬变时的电压变化要求有上百倍的提高，因此钽电容过高的Resr使其越来越不适应具有大瞬态低噪声要求的高速芯片。与此同时，多层陶瓷电容技术的普及使陶瓷电容的容量越来越大，目前陶瓷电容是非常好的选择。它的Resr非常低，通常小于0.5 mΩ，并且容量可以达到22μF/47μF、0805封装的水平。

当然陶瓷电容的缺陷在于它的电压/温度稳定性不及钽电容。通常X5R/X7R的温度稳定性都能接受，但电压稳定性却是很容易忽视的一个问题。X5R/X7R材质的电容对直流电压敏感，在电容加上直流电压时，材质的介电常数会降低，导致电容容量下降。陶瓷电容的标称电容容值通常是在1 k Hz、1 V等效AC电压、直流偏压为0 V情况下测到的，当用在1 V左右DC电压的环境中，变化会比较小，但如果是用在前级12 V或者5 V电路中，容量额降会比较大，需要选择更大的电容来达到效果。一颗16 V/22μF的电容在DC＝5 V时容量大概下降到了一半，为11μF，如图3所示。所幸几乎目前所有小制程大功耗的芯片直流电压都非常低，正常的都在1 V左右，一些带了内部电压变换器的也小于2 V。因此此处使用陶瓷电容不管在价格/性能还是体积上都是非常合适的。这里笔者推荐的是0805封装的X5R 22μF/47μF电容。

5 开关电源输入/输出电容

图3 16V 22μF电容直流额降

开关电源输入/输出电容选择比较多，而且不同的产品考虑的侧重点也不同，导致最后的选择不同，设计者需要根据自己产品的需求做平衡。这里的电容比较关注的是其Resr的特性，因为无论在输入侧还是输出侧，电容都担负着吸收纹波电流、减小电源噪声的重要使命。

这里不得不提到电解电容和固态电容的区别。固态电容全称是固态导电高分子聚合物铝/钽电解电容。虽然固态电容的价格是铝电解电容的数倍（2～5倍），但通常固态电容的Resr是相同容量体积铝电解电容的1/3或者更低，因此能容忍相比于普通电解电容几倍的纹波电流，在一些大电流（例如CPU）动态VID变化的应用中得到了非常广泛的应用。固态电容通常分扁方块状的表贴电容和圆柱状的插装/表贴两种。圆柱状的由于有插针而带来较大的引线电感，但价格便宜，而新的表贴固态电容使用了3个Pad来达到极低的Resr（＜4 mΩ），但是这种电容价格稍高。具体的选择完全看系统对成本的敏感程度以及性能的需求。图4比较了在相同的6～60 A负载电流变化时，电容ESR值对输出电压的影响。电源加上4颗25 mΩResr1000μF的电容时输出电压p-p值为300 m V而改为4颗9 mΩResr1000μF的电容时输出电压p-p值为195 m V。

由于通常输入电压比较高，大功率系统往往为6～24 V，不推荐大容量的陶瓷电容作为输入电容，直流额降太大，推荐使用固态电容和中等容量陶瓷电容的组合，比如180μF/220μF的16 V固态电容、10μF/25 V的陶瓷电容以及0.1μF/25 V的陶瓷电容。

①对于小电流的电源（＜5 A），或者要求不高的普通电源，低电压的输出电容可以用陶瓷电容，高电压的可以用钽电容。优先考虑成本，性能反而显得不太重要。

②单相大电流电源（＞15 A）使用固态电容作为输出电容是非常好的做法，比如10 mΩResr左右的多颗300 μF/470μF的固态电容是性价比很高的选择。

③一些多相大电流大瞬态要求较高的电源可用低Resr固态电容加几十颗22μF/47μF的陶瓷电容来实现，比如N×5 mΩ470μF固态电容和N×47μF陶瓷电容的组合。固态电容为电感上的纹波电流提供通路，而陶瓷电容用来满足高于电源控制器响应速度的瞬态电流的需求。

图4 负载电流6～60A变化时电压波形

结 语

在电源完整性设计中，用一种电容很难满足所有的要求。通常可以在电源的输入/输出侧放置大容量、低Resr的470μF/5 mΩ固态电容来吸收电流纹波，在靠近集成电路侧放置22μF/47μF的陶瓷电容来满足对电源大电流瞬态响应的需求，而在集成电路BGA封装引脚上放置1μF的陶瓷电容滤除高频噪声。通过这些不同种类不同容值电容的组合，来满足集成电路对电源完整性设计的要求。不同的条件下，如何合理地选择适当的电容对设计者来说是必备的知识，适当地使用一些新型陶瓷电容和固态电容的组合对电源完整性设计会有很大的帮助。

[1]邵鹏.信号/电源完整性仿真分析与实践[M].北京：电子工业出版社，2013：76-77.

[2]韦素芬，梁宇.深亚微米SoC设计的去耦电容优化方法学[J].大众科技，2010（1）：47-49.

[3]刘泳澎.导电高分子聚合物固态电解电容器特性研究[J].IT时代周刊论文专版，2014（14）：153-158.