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DC 바이어스 시 콘덴서 용량 저하 및 전원 공급선에 미치는 영향

1. 소개: 일반적으로 적층 세라믹 커패시터의 커패시턴스(이하 커패시턴스 또는 C로 약칭함)는、DC 전압 인가(DC 바이어스) 시에 저하됨。용량 C가 감소함에 따라、전원 공급계에서 LSI의 전원 단자에서 본 임피던스(약칭 Z11)는 상승한다。LSI의 전원 단자에 발생하는 전압 변동(노이즈)은 Z11의 상승에 따라 증가하기 때문에 노이즈 증가의 원인이 된다。현재、DC 바이어스 시 콘덴서의 용량을 구할 수 있는 모델(동적 모델이라고 한다)이 콘덴서 메이커로부터 나와 있어、안시스 SIwave와 같은 시판되는 시뮬레이터에서 사용할 수 있는 동적 모델이 제공됨。
이번、DC 바이어스 시 Z11의 실측과 시뮬레이션을 수행、DC 바이어스에 따른 Z11의 변화와 동적 모델의 유효성을 검증했기 때문에 보고。

2.방법

①우선、SIwave에서 동적 모델의 유효성 검증으로、그림 1에 표시된 전원-GND 베타 전용 기판 사용、인풋 임피던스(Z11)의 실측 및 시뮬레이션 수행。

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그림 1 실측 Sim 비교용 기판

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그림 1 실측 Sim 비교용 기판

도 2는 실측 풍경을 나타낸다.

그림 2 Z11 실측 풍경

②다음、DC 바이어스 특성을 고려한 동적 모델에 의한 시뮬레이션과 DC 바이어스 특성을 고려하지 않은 S 파라미터에 의한 시뮬레이션의 비교를、실제품을 상정한 고속 CPU와 LPDDR4-SDRAM을 탑재한 기판을 이용하여 검증했다。

3.결과

그림 3의 크기 1005、4.7μF의 콘덴서를 1개 실장한 기판의 Z11 실측과 시뮬레이션 결과를 나타낸다。인가 전압이 증가함에 따라 Z11이 상승(용량 감소)하는 경향이 잘 일치함、시뮬레이션 모델은 합리적。

그림 3 커패시터의 DC 바이어스 특성 (Z11 실측과 Sim 비교)

그림 3 콘덴서의 DC 바이어스 특성(Z11 실측과 Sim 비교)

제품을 상정한 고속 CPU의 코어 전원의 Z11 시뮬레이션 결과를 그림 4에 나타낸다。0.8V 및 저전압으로 인해、DC 바이어스 특성으로 인한 용량 저하의 영향은 작은 결과였다。또한、대전류를 소비하는 전원 공급 장치는 엄격한 공급 품질이 필요하기 때문에、저전압 고전류 전원 공급 장치、DC 바이어스 특성을 고려한 시뮬레이션은 중요하다고 생각된다。