應用S型橋接電磁帶隙結構抑制同步開關噪聲研究

劉永勤

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

隨著數字系統對高頻率、低電壓的需求，信號完整性和電磁干擾問題已成為系統設計時最為關注的問題，特別是寬頻率范圍的同步開關噪聲對系統的可靠工作帶來很多問題.電源分配網絡的作用有三個：保持芯片焊盤前后電壓的恒定，使地彈最小化，使EMI問題最小化.電源分配網絡互連通常是最大的導電結構，攜帶最大的電流，而且也會攜帶高頻噪聲，所以它們可能會產生最多輻射并無法通過電磁兼容的測試認證［1］.如果能正確設計電源分配網絡互連，則可以減少很多潛在的電磁干擾問題，并有利于電磁干擾測試認證成功［2］.在高速高密度的互連系統中，同步開關噪聲非常嚴重，如果不能有效的管理，會嚴重影響整個系統的正常工作.

抑制同步開關噪聲最有效的方法就是從根本上抑制它的產生，由于集成系統是利用晶體管來獲得功能的，因此，幾乎不可能阻止同步開關噪聲的產生，但可以在它的傳播過程中采取各種措施將其抑制掉［3－4］.本文主要研究應用電磁帶隙結構(PDN)來抑制同步開關噪聲(SSN)的方法.

1 S型橋接電磁帶隙結構設計

圖1 S型橋接EBG結構

如圖1所示，S橋接EBG電源平面由3×3個單元塊組成，是在FR－4基板上實現的90mm×90mm×0.4mm的結構.其中兩個單元塊的結構如圖2所示，相鄰的兩個鄰接元通過S橋型互連，但地平面沒有改變.單元塊的結構參數(w=0.2mm，s=0.2mm，c=5mm，a1=11.8mm，a2=12.2mm，g=1mm).其中 w 和 s值保持相同，其他參數都是基于低寄生電容的最大電感設計.測量平面的三個端口分別位于(45mm，45mm)，(15mm，75mm)和(15mm，45mm)，在PCB板的左上角位置.這些端口包括過孔和焊盤，用來連接電源和地平面上的測量探針.

圖2 相鄰兩個S型橋接EBG單元

2 S型橋接EBG結構抑制SSN分析

以下將提出的S型橋接EBG電源平面與傳統的平行板平面以及L型EBG平面［5］進行比較.圖3得到了利用有限元法測得的端口1和端口2之間的S參數，除了在頻率5GHz以上時FR－4基板介電常數變得分散，其他情況下是一致的，該S橋型EBG電源平面呈現了很寬的帶寬，插入損耗在－30 dB時的頻率范圍從220MHz到7GHz.SSN傳播的方向被證實在S21和S31之間幾乎是全方位的.

相對于傳統的L型EBG結構，S型橋接EBG結構可以抑制更低頻率(220MHz)的SSN.該結構對低頻率的抑制性能與電源平面等效電感有關.由于同步開關噪聲大部分在低于1GHz以下，因此，抑制SSN噪聲的低頻部分比高頻部分更有意義.

低于200MHz時，S型橋接EBG結構的插入損耗比平行板結構的插入損耗低，該插入損耗來自S橋接EBG結構的電感和塊電容之間的共振效應.所有的EBG電源平面固有的諧振可以通過采用額外的去耦電容器減小，同時減少了去耦電容的數目.在200MHz以上的EBG諧振大多是由L型橋接EBG結構引起的，但是，這很難通過去耦電容器有限的自諧振頻率來消除.

EBG電源平面上的各種狹縫和穿孔也影響信號線的返回電流路徑，隨之而來的是這些EBG電源平面不可避免的信號完整性問題.在電源平面上局部應用EBG結構可用于板級設計，針電容橋接電流返回路徑可以用來改善信號完整性而無需重新設計電路板.

圖3 平行板、L型橋接EBG及S型橋接EBG電源平面的S參數對比

3 結語

在相同電容的情況下，EBG電源平面具有較高的電感，S型橋接EBG結構將單元塊串聯，因此有很高的等效串聯電感，這樣可提高抑制SSN的帶寬.本文提出的S型橋接EBG結構可在220MHz到7GHz頻率范圍內將SSN噪聲抑制在－30dB以下.而且，它對SSN的低頻抑制能力也明顯提高，通過此結構可減少本地去耦電容器的數目.此外還發現，大多數EBG電源平面可能出現的信號完整性問題，可通過補充電容來改進.

［1］張木水.高速電路電源分配網絡設計與電源完整性分析［D］.西安：西安電子科技大學博士學位論文，2009.8－25.

［2］Yang X.P，Li Z.F，Mao J.F.Analysis of the bounces on the power/ground plane structures by planar circuit model and APAE algorithm［J］.IEEE Trans.Adv.Package，2001，24(2)：184 －190.

［3］Kamgaing T，Ramahi O.M.Design and modeling of high-impedance electromagnetic surface for switching noise suppression in power planes［J］.IEEE Trans.Electron，compat，2005，47(3)：479 －489.

［4］Lee J，Kim H，Kim J.Broadband suppression of Simultaneous switching noise and radiated emissions using high-DK thin film electromagnetic band gap power distribution network for high-speed digital PCBapplications［J］.IEEEInt.Symp Electromagnetic Compat，2005，35(3)：967 －970.

［5］Wu T.L，Wang C.C，Lin Y.H，et al.A novel power plane with super-wideband elimination of ground bounce noise on high speed circuits［J］.IEEE Microw.Wireless Compon.Lett，2005，15(3)：174 －176.