通过LC 电源滤波电路改善SSO 的算法与设计

摘 要：通过LC 滤波电路对芯片的供电系统进行滤波是改善同步输出开关噪声的重要手段，文章针对该课题提出了一种改善SSO 的LC 电源滤波电路算法与设计。首先提出了L 型LC 滤波电路的等效模型，介绍了其具体工作原理，并通过理论推导给出了内部参数的定量计算公式；然后根据L 型滤波电路的缺陷，引入了π型LC 滤波电路等效模型，并介绍了其工作原理和相应的参数取值；接着给出了LC 滤波电路的LAYOUT 设计的要求。最后是关于该设计电路的总结。

　　0 引 言

　　CMOS 技术的发展使得芯片的集成度越来越高，单一芯片所拥有的IO 数量也越来越多，当这些芯片大量应用在高速数字系统中，同步开关噪声就显得非常突出。

　　同步开关噪声（SSN）是由IO 输出缓冲同时开关产生的，也称作同步开关输出噪声(SSO)。产生SSO 的一个主要原因是电源分配系统（PDS）存在阻抗。具体讲就是从电源的输出端到芯片的输入端存在着一段距离，在这段路径上存在着阻抗，从集中模型来看，相当于串联了集中分布的电阻和电感元件。当一定数量的CMOS 输出驱动电路同时打开时，就会有很大的电流瞬间涌入这些感性元件中，这种瞬间快速变化的电流会在感性元件上产生感应电动势，引起芯片电源输入端的供给净电压不足或过高。

　　目前常用的方法是在紧靠芯片的电源输入端加足够的退耦电容，可以起到稳压的作用，但是由于电源平面和芯片电源平面没有有效的隔离，电源平面上存在的噪声干扰很容易进入到芯片的供电平面上，最终传导到SSO 上，使得SSO 恶化。本文提出了L 型和π 型LC 滤波电路设计方案，可以有效隔离两个平面之间的中高频噪声干扰，改善SSO 问题。下面是详细的介绍和分析。

　　1 L 型LC 电源滤波电路

　　1.1 L 型LC 电源滤波电路模型及工作原理

　　L 型LC 滤波电路的等效模型见图一。整个等效模型的元件有电感L 和退耦电容C1。电感L 主要作用是扼制电流的跳变，起到稳流的作用。退耦电容C1 的主要用于抑制由于SSO引起的电压的跳变，起到稳压的作用。SSO 可以等效成一个瞬时开关的电流源，为了表征最坏的情况，即所有的IO 在同一瞬间一起打开，此时的电流需求就等于芯片在该电压下的最大工作电流I。

图一 L 型LC 电源滤波电路

　　该电路的工作原理就是当SSO 同时开启后，产生电流I 的瞬时需求，首先由C1 放电维持电压缓慢变化，同时通过电感L 对电容进行充电。通过这样反复的充放电过程维持芯片输入端电压在芯片正常工作电压的误差范围之内。从频谱角度看，LC 构成了一个低通滤波器，有效隔离了两个平面之间的中高频噪声。

　　1.2 L 型LC 电源滤波电路的算法分析

　　根据图一的等效模型可以得到方程组（I）：

　　方程组（I）化简后得到二阶微分方程（II）

解微分方程（II）得到特解：