電磁帶隙結(jié)構(gòu)在同步開關(guān)噪聲抑制中的應(yīng)用分析*

張志偉1，,李玉山

(1.陜西理工學(xué)院 電信工程系,陜西 漢中 723000；2.西安電子科技大學(xué) 電路CAD研究所,西安 710071)

1 引 言

隨著電子系統(tǒng)向高速度、高功耗、低電壓、大電流和高集成度的趨勢(shì)發(fā)展，高速數(shù)字系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)的重點(diǎn)已經(jīng)從信號(hào)完整性轉(zhuǎn)移到電源完整性。同步開關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise,SSN)是電源完整性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，是衡量電源功率傳輸質(zhì)量的重要指標(biāo)。SSN的分析與設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主角之一已有十余年了，很多關(guān)于SSN的研究都是對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了多次重大的簡(jiǎn)化。這些研究重點(diǎn)在于闡明SSN產(chǎn)生的機(jī)理、對(duì)數(shù)字系統(tǒng)造成的影響，以及從中找出正確處理SSN的辦法等。本文在廣泛總結(jié)和凝練前人研究成果的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)有各種抑制SSN的方法機(jī)理和不足，引入國(guó)際上最新的應(yīng)用電磁帶隙結(jié)構(gòu)(Electromagnetic Band Gap,EBG)抑制SSN的概念，通過(guò)對(duì)多種寬帶EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真分析和應(yīng)用研究，證明其能獲得良好的寬帶SSN抑制效果。

2 同步開關(guān)噪聲產(chǎn)生的問(wèn)題

由于信號(hào)的邊沿變陡,信號(hào)的電壓不斷下降,電路系統(tǒng)越來(lái)越龐大，一方面加強(qiáng)了SSN，另一方面電子系統(tǒng)對(duì)SSN越來(lái)越敏感,導(dǎo)致SSN噪聲的抑制異常困難[1]。同步開關(guān)噪聲會(huì)激起平面諧振，引起地彈問(wèn)題和電磁輻射(EMI)。地彈直接影響工作速度和產(chǎn)品可靠性，EMI導(dǎo)致電子產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到輻射要求，從而不能通過(guò)美國(guó)FCC標(biāo)準(zhǔn)造成產(chǎn)品不能及時(shí)推向市場(chǎng)，這將使公司不能實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)的最大化，甚至?xí)墒苤卮蟮膿p失。

隨著平面對(duì)在電子產(chǎn)品中的廣泛使用，數(shù)字電路的性能得到了很大提高，研究的方向也從互連電感轉(zhuǎn)向了平面電感，因此對(duì)平面對(duì)的研究成國(guó)際研究的主題。了解微波知識(shí)就會(huì)知道，平面對(duì)其實(shí)就是平面波導(dǎo)，因此在微波方向的研究有助于解決EMI的問(wèn)題。

根據(jù)面積為a×b的末端開路電路板的電源平面和地平面上電壓波動(dòng)分布圖可知，平面上的電壓分布取決于諧振模式，而諧振頻率取決于模數(shù)、絕緣體的介電常數(shù)和平面的物理尺寸。平面的諧振頻率由下式可得：

(1)

假設(shè)b>a，第一種模式相應(yīng)的諧振頻率為

(2)

在式(1)和式(2)中，μ和ζ分別表示平面間材料的導(dǎo)磁率和介電常數(shù)。平面上的電壓分布取決于電源位置。

如圖1所示，當(dāng)處于諧振頻率時(shí)，平面上電壓分布為最大值和最小值都在平面上特定的點(diǎn)處。

圖1 諧振對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

平面上電壓波動(dòng)的變化稱為平面反彈。平面上大的電壓波動(dòng)可能會(huì)引起與其相關(guān)的信號(hào)線的重要耦合，這樣可能傳輸?shù)届o態(tài)接收電路并且會(huì)引起來(lái)自末端接邊緣的電磁輻射。

當(dāng)平面對(duì)在諧振處時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的輻射導(dǎo)致電路不能正常工作，因此在電路設(shè)計(jì)或者研究過(guò)程中，常常要求把諧振峰值拉高或拉低以使其脫離工作所需的頻率區(qū)域。

研究SSN主要有理論和仿真兩種方法，其中仿真主要是通過(guò)一些仿真軟件實(shí)現(xiàn)，如ANSOFT、Hspice、ADS等軟件。同樣，我們也需要建模來(lái)對(duì)所需了解的問(wèn)題進(jìn)行建模仿真。由于SSN問(wèn)題的復(fù)雜性，完全的建模是不現(xiàn)實(shí)的，現(xiàn)在的方法基本都是簡(jiǎn)化問(wèn)題來(lái)對(duì)所關(guān)注的問(wèn)題進(jìn)行建模和研究。

3 同步開關(guān)噪聲的抑制方法研究

3.1 同步開關(guān)噪聲的抑制方法

處理SSN的最根本辦法就是從源頭上減少SSN的產(chǎn)生。由于數(shù)字系統(tǒng)是利用晶體管的開關(guān)來(lái)獲得邏輯功能，幾乎不可能阻止或減小SSN的產(chǎn)生，即使是芯片級(jí)設(shè)計(jì)師也無(wú)能為力。但如果從另外一個(gè)角度考慮問(wèn)題，往往會(huì)得到解決問(wèn)題的更好辦法。雖然不能夠阻止SSN的產(chǎn)生，但是SSN總是要通過(guò)媒質(zhì)傳播才能到達(dá)被影響的電路模塊，因此可以在SSN的傳播過(guò)程中采用各種辦法將其抑制掉。這個(gè)思想也是當(dāng)前處理SSN耦合的最重要思想。目前已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種SSN抑制方法：添加分立去耦電容[2]；采用嵌入式去耦電容[3]；優(yōu)化過(guò)孔的位置[4]；電源地平面分割[5]；采用差分信令等。

這些噪聲抑制的方法機(jī)理各異，在抑制SSN的同時(shí)也存在不足：去耦電容為SSN提供低阻抗的本地通路而達(dá)到噪聲抑制的作用，去耦電容的寄生電感使得電容在高頻的阻抗增大而使得噪聲抑制失效，一般的表貼封裝去耦電容的去耦范圍在100 MHz左右。嵌入式去耦電容則能在很大程度上改善去耦頻率，但是制板的成本高，也容易引起可靠性問(wèn)題。選擇過(guò)孔的位置根據(jù)諧振現(xiàn)象的位置相關(guān)性避開某個(gè)諧振點(diǎn)上的諧振峰值，但是平面諧振同時(shí)也具有頻率相關(guān)性，故該方法只適用于某一個(gè)特定的諧振頻率點(diǎn)。電源地平面分割切斷了SSN傳播的路徑而達(dá)到噪聲抑制的效果，但同時(shí)也造成了返回路徑上的不連續(xù)，破壞了信號(hào)的完整性。采用差分信號(hào)能改善信號(hào)的質(zhì)量并減少SSN，但是要求更多的布線空間和PCB面積，增加了系統(tǒng)的成本，一般只在數(shù)據(jù)率很高的場(chǎng)合采用。

3.2 電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)的研究

最近，一種新穎的SSN抑制方法——電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)引入到電源地平面的噪聲抑制中，以抑制高速系統(tǒng)中SSN和EMI[6-7]這些平面EBG結(jié)構(gòu)的帶寬高下截止頻率低，具有良好的噪聲抑制作用。

3.2.1EBG結(jié)構(gòu)

EBG結(jié)構(gòu)的原理為：在阻帶范圍內(nèi)SSN噪聲被限制在本地單元塊內(nèi)，無(wú)法向外傳播，從而達(dá)到SSN和EMI抑制的作用。事實(shí)上，可以這樣認(rèn)為：對(duì)阻帶內(nèi)頻率范圍內(nèi)的噪聲來(lái)說(shuō)，電源和地平面可以認(rèn)為是短路的，它為SSN提供了一條低阻抗的本地電流通路，使電流從本地流入低平面，從而使SSN被限制在其產(chǎn)生的地方無(wú)法向外傳播，達(dá)到抑制噪聲和EMI的作用。

圖2為典型的Sievenpiper方形EBG結(jié)構(gòu)，EBG表面由多個(gè)單元塊在水平二維平面上周期地排列形成，圖中只給出了4個(gè)單元塊。EBG表面位于電源平面和地平面之間，通過(guò)過(guò)孔與其中一個(gè)平面相連。在阻帶內(nèi)，EBG結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一種奇特電磁特性：它為兩平面間的高頻電流(或噪聲)提供了低阻抗通路，兩參考平面交流短路，這就使得電源地平面產(chǎn)生的噪聲迅速通過(guò)本地低阻抗通路形成回路，不能向外傳播，從而達(dá)到噪聲抑制的效果。噪聲被抑制了，EMI也就減小了，所以EBG結(jié)構(gòu)也同樣可用于EMI抑制[8]。

(a)俯視圖

(b)單元塊的側(cè)視圖

EBG結(jié)構(gòu)能提供很好的噪聲抑制功能，下面將分別介紹幾種EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方法和研究思路。

3.2.2兩種EBG結(jié)構(gòu)的并行適用

這種方法通過(guò)選擇不同帶寬的EBG結(jié)構(gòu)來(lái)抑制噪聲，從下面的帶寬圖可以看見(jiàn)這種雙結(jié)構(gòu)的EBG可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻帶內(nèi)的噪聲抑制。圖3是其原理圖和仿真結(jié)果。

(a)原理圖

(b)仿真結(jié)果

3.2.3兩種結(jié)構(gòu)的疊層適用

這種方法同樣通過(guò)選擇不同帶寬的EBG結(jié)構(gòu)來(lái)抑制噪聲，從圖4可以看出這種雙結(jié)構(gòu)的EBG可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻帶內(nèi)的噪聲抑制。

圖4 疊層適用結(jié)構(gòu)EBG的結(jié)構(gòu)圖和仿真效果圖

3.2.4多過(guò)孔EBG結(jié)構(gòu)

多過(guò)孔EBG結(jié)果通過(guò)增加過(guò)孔提高電感來(lái)增加帶寬大小，往往能增加2～6倍的大小。這種方法制造簡(jiǎn)單，基本不需要增加太多的成本就可以達(dá)到很好的效果。圖5給出了結(jié)構(gòu)圖和仿真效果圖。

(a)結(jié)構(gòu)圖

(b)仿真效果圖圖5 多過(guò)孔EBG的結(jié)構(gòu)圖和噪聲抑制效果圖

3.3 發(fā)展研究方向

從前面各種結(jié)構(gòu)的EBG仿真噪聲抑制效果圖可以看出，EBG具有很好的同步開關(guān)噪聲抑制作用，但是EBG結(jié)構(gòu)在低數(shù)百兆赫頻率內(nèi)的噪聲抑制效果不理想，因此根據(jù)具體情況需要加去耦電容來(lái)提供這一頻率范圍內(nèi)的抑制功能; 其次，由于EBG結(jié)構(gòu)需要額外的金屬層和大量的過(guò)孔，如果在整個(gè)PCB或封裝中設(shè)計(jì)EBG結(jié)構(gòu)將極大地增加電子系統(tǒng)的成本。針對(duì)此問(wèn)題，近期學(xué)者在雙面EBG結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了超寬帶低成本EBG隔離墻的SSN抑制方法[9]，有效地降低了引入EBG結(jié)構(gòu)的成本，并極大地拓寬了噪聲抑制的帶寬。

4 總 結(jié)

高速電路系統(tǒng)中，信號(hào)完整性的各種問(wèn)題，尤其是同步開關(guān)噪聲(SSN)對(duì)互連線上的信號(hào)有很大的影響，越來(lái)越引起專業(yè)芯片設(shè)計(jì)人員的重視。為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，國(guó)際國(guó)內(nèi)眾多資深專業(yè)研究機(jī)構(gòu)從不同角度對(duì)SSN進(jìn)行分析并研究各種相應(yīng)抑制方法，電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)作為最新解決方法比傳統(tǒng)的加去耦電容等設(shè)計(jì)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用中也存在成本高、影響高速信號(hào)傳輸質(zhì)量等問(wèn)題,因此在EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究中一定要慎重權(quán)衡性能與代價(jià)，爭(zhēng)取獲得能廣泛適用的設(shè)計(jì)。

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