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(shù)字系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計時最為關(guān)注的問題，特別是寬頻率范圍的同步開關(guān)噪聲對系統(tǒng)的可靠工作帶來很多問題.電源分配網(wǎng)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(wǎng)絡互連通常是最大的導電結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(shè)計電源分配網(wǎng)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(tǒng)中，同步開關(guān)噪聲非常嚴重，如果不能有效的管理，會嚴重影響整個系統(tǒng)的正常工作.

抑制同步開關(guān)噪聲最有效的方法就是從根本上抑制它的產(chǎn)生，由于集成系統(tǒng)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(guān)噪聲的產(chǎn)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(jié)構(gòu)(PDN)來抑制同步開關(guān)噪聲(SSN)的方法.

1 S型橋接電磁帶隙結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 S型橋接EBG結(jié)構(gòu)

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(xiàn)的90mm×90mm×0.4mm的結(jié)構(gòu).其中兩個單元塊的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)(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(shù)都是基于低寄生電容的最大電感設(shè)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(jié)構(gòu)抑制SSN分析

以下將提出的S型橋接EBG電源平面與傳統(tǒng)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(shù)，除了在頻率5GHz以上時FR－4基板介電常數(shù)變得分散，其他情況下是一致的，該S橋型EBG電源平面呈現(xiàn)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(tǒng)的L型EBG結(jié)構(gòu)，S型橋接EBG結(jié)構(gòu)可以抑制更低頻率(220MHz)的SSN.該結(jié)構(gòu)對低頻率的抑制性能與電源平面等效電感有關(guān).由于同步開關(guān)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(jié)構(gòu)的插入損耗比平行板結(jié)構(gòu)的插入損耗低，該插入損耗來自S橋接EBG結(jié)構(gòu)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(shù)目.在200MHz以上的EBG諧振大多是由L型橋接EBG結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可用于板級設(shè)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(shè)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(shù)對比

3 結(jié)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(jié)構(gòu)將單元塊串聯(lián)，因此有很高的等效串聯(lián)電感，這樣可提高抑制SSN的帶寬.本文提出的S型橋接EBG結(jié)構(gòu)可在220MHz到7GHz頻率范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)可減少本地去耦電容器的數(shù)目.此外還發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)EBG電源平面可能出現(xiàn)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(wǎng)絡設(shè)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.