一種基于互補(bǔ)環(huán)縫諧振器抑制SSN的新方法

潘健　李玉山

摘 要： 針對高速PCB上抑制同步開關(guān)噪聲（SSN）的問題，提出了一種將互補(bǔ)環(huán)縫諧振器（CSRR）刻蝕在電源平面上，抑制電源/地平面間的電場波動噪聲傳播的方法。采用基于有限元算法的HFSS軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：與理想?yún)⒖计矫婧碗姶艓督Y(jié)構(gòu)相比，刻蝕了該CSRR結(jié)構(gòu)的電源分配網(wǎng)絡(luò)具有較好的寬帶全向SSN噪聲抑制能力，在抑制深度為-40 dB時，其阻帶覆蓋從0.26 GHz到超過20 GHz以上的頻率范圍。

關(guān)鍵詞： 電源分配網(wǎng)絡(luò)； 同步開關(guān)噪聲； 互補(bǔ)環(huán)縫諧振器； 阻帶

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0058?03

Abstract： Aiming at the suppression of simultaneous switching noise （SSN） in the high?speed PCBs， a new method to etch the complementary split?ring resonators （CSRR） on the power plane of PCBs is proposed to restrain the diffusion of power fluctuation noise between the power supply and ground plane. The structure was simulated with HFSS software based on FEM. The results show that， compared with the ideal reference plane and coplanar electromagnetic band gap （EBG） structure， the power distribution network （PDN） with the CSRR has a capacity of wideband and omni?directional suppression of SSN， and the covering range of stop band is from 0.26 GHz to over 25 GHz when inhibition depth is -40 dB.

Keywords： power distribution network； simultaneous switching noise； complementary split?ring resonator； stop?band

0 引 言

隨著電路系統(tǒng)向著高速、高密度、低功耗的方向不斷發(fā)展，PCB上各模塊I/O在高速狀態(tài)切換時需要大量的瞬時開關(guān)電流，這很容易激起電源分配網(wǎng)絡(luò)（Power Distribution Network，PDN）上供電電壓波動，引發(fā)同步開關(guān)噪聲（Simultaneous Switch Noise，SSN）[1]。PDN不僅為系統(tǒng)工作提供電荷，同時也是信號的主要返回路徑，因此PDN上噪聲抑制和優(yōu)化設(shè)計問題是當(dāng)前研究的熱點之一[2?3]。

當(dāng)前業(yè)界針對SSN抑制提出了很多方法，例如采用去耦電容的方法，但由于實際電容的寄生效應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率超過電容的自諧振頻率時，它們將表現(xiàn)為感性特征，因此只適用于數(shù)百MHz以下頻率的噪聲抑制[4]。采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)（Electromagnetic Band Gap，EBG）也是抑制SSN噪聲的有效方法之一，文獻(xiàn)[5?7]中提出了幾種典型的EBG結(jié)構(gòu)，對不同頻段內(nèi)的SSN抑制具有一定效果，但常用的蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)需要額外的金屬層和過孔，增加了系統(tǒng)成本和工藝復(fù)雜度；共面型EBG結(jié)構(gòu)雖然不需要額外的金屬層，但它需要在電源平面或地平面上刻蝕多級單元形成陣列結(jié)構(gòu)級聯(lián)，對系統(tǒng)信號完整性（SI）的影響不能忽視。

互補(bǔ)環(huán)縫諧振器（Complementary Split Ring Resonator，CSRR）是Falcone等人在2004年通過環(huán)縫諧振器（Split Ring Resonator，SRR）結(jié)構(gòu)演變提出的[8]，由于其低插入損耗、較好的頻率選擇性等特征，被廣泛應(yīng)用于耦合器等微波電路中。隨著高速電路系統(tǒng)工作頻率不斷提升，近幾年來有學(xué)者提出在PCB上利用CSRR結(jié)構(gòu)抑制SSN的方法，文獻(xiàn)[9?10]中分別提出一種環(huán)形CRSS結(jié)構(gòu)和非雙各向異性CSRR結(jié)構(gòu)，其抑制SSN具有阻帶帶寬大，噪聲抑制效果好的特點，具有較好的應(yīng)用價值。

本文提出一種新的應(yīng)用于PCB電源平面上的CSRR結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)只需在關(guān)鍵隔離區(qū)域部分放置，即可達(dá)到較好的寬帶噪聲抑制效果。仿真分析驗證了該結(jié)構(gòu)的阻帶特性，在抑制深度為-40 dB時，所設(shè)計的單級CSRR單元的抑制帶寬即可覆蓋0.26～20 GHz以上的頻率范圍。

1 基于CSRR的新型平面PDN結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)CSRR結(jié)構(gòu)受到垂直于其表面的電場分量[Ei]激勵時，將會引起相應(yīng)的諧振效應(yīng)，并表現(xiàn)出一定的電磁帶隙特性[9]。而典型的高速PCB系統(tǒng)電源/地平面層間間距通常很近，其層間電場垂直于電源/地平面分布，因此可以在電源/地的金屬層上刻蝕CSRR結(jié)構(gòu)，利用CSRR的諧振特性抑制電源/地腔體間的噪聲傳播。

電路中SSN的影響主要是由于高速數(shù)字電路激勵引起電源/地平面諧振，進(jìn)一步影響其他區(qū)域的電路單元正常工作，尤其對噪聲魯棒性較差的模擬電路單元及射頻單元影響較大。為了抑制SSN擴(kuò)散傳播，本文設(shè)計在PDN上需要隔離的噪聲源區(qū)域放置CSRR單元。如圖1所示，PDN為矩形的雙層PCB結(jié)構(gòu)，由電源層、地層和層間介質(zhì)組成。其中CSRR在電源平面上刻蝕，地平面保持金屬層完整，系統(tǒng)坐標(biāo)原點位于左上角。

2 仿真分析與驗證

為了驗證設(shè)計的CSRR結(jié)構(gòu)對SSN噪聲的抑制能力，假設(shè)圖1中P1（45 mm，30 mm）為激勵噪聲輸入端口，以P1為中心在電源平面上刻蝕圖2所示的CSRR結(jié)構(gòu)，將P2（60 mm，120 mm）和P3（90 mm，100 mm）設(shè)置為輸出端口，考慮到檢測級聯(lián)CSRR抑制噪聲的能力，在P2端口處也刻蝕一個CSRR結(jié)構(gòu)。采用基于有限元方法的HFSS軟件進(jìn)行仿真分析，同時為了進(jìn)行對比，對相同尺寸和相同端口位置的的理想?yún)⒖计矫婧臀墨I(xiàn)[7]中提出的共面型EBG結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了仿真分析。

仿真驗證刻蝕有CSRR結(jié)構(gòu)的PDN上輸入端口P1和輸出端口P2，P3之間的傳輸特性，從圖3所示的結(jié)果可以看出，當(dāng)要求阻帶深度為-40 dB以下時，[S21]表示的單級CSRR阻帶抑制帶寬覆蓋從0.26 GHz到超過20 GHz的頻率范圍，[S31]表示的兩級CSRR阻帶抑制帶寬覆蓋從0.22～25 GHz的頻率范圍，兩者均體現(xiàn)了文中提出的CSRR結(jié)構(gòu)具有很好的寬帶SSN噪聲抑制能力。

通過結(jié)果分析還可以看到，相同頻率范圍下，[S31]的平均抑制深度比[S21]大，說明CSRR的級聯(lián)噪聲抑制能力更優(yōu)秀，但兩者的帶寬范圍差別不大。同時，從端口P2和P3的維度位置不同可以判斷出，該CSRR結(jié)構(gòu)具有二維方向的噪聲抑制能力，可以有效抑制整板SSN噪聲。

圖4表示的是文中的CSRR結(jié)構(gòu)、理想?yún)⒖计矫婧臀墨I(xiàn)[7]中共面型EBG結(jié)構(gòu)這三種情況下，端口P1和P2之間的傳輸特性。從對比結(jié)果可以看出，在SSN噪聲比較集中的7 GHz以下頻帶內(nèi)，文中CSRR結(jié)構(gòu)抑制SSN噪聲的能力優(yōu)于理想?yún)⒖计矫婧湍⒐叫虴BG結(jié)構(gòu)。

從實際PCB制板的角度來看，相對于蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)，文中提出的CSRR結(jié)構(gòu)不需要額外的金屬層和過孔，制作工藝簡化，節(jié)約了制板成本；相對于共面型EBG結(jié)構(gòu)，該CSRR結(jié)構(gòu)不會大面積的破壞電源/地平面的連續(xù)性，只需要在重點隔離區(qū)域布設(shè)少量的結(jié)構(gòu)單元即可達(dá)到理想的噪聲抑制效果，從而減小了信號返回路徑不連續(xù)時引發(fā)的信號完整性問題。

3 結(jié) 語

為了增強(qiáng)高速PCB板的電源完整性，有效抑制寬帶SSN噪聲影響，本文提出了一種適合在電源平面上刻蝕的CSRR結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，與理想?yún)⒖计矫婧蛡鹘y(tǒng)的EBG結(jié)構(gòu)相比，布設(shè)了該CSRR結(jié)構(gòu)的PDN具有更優(yōu)秀的SSN抑制能力，在抑制深度為-40 dB時，其有效阻帶覆蓋了從0.26 GHz到超過20 GHz的頻率范圍，實現(xiàn)良好的低頻抑制特性和寬帶抑制能力。

參考文獻(xiàn)

[1] LEE J， ROTARU M D， IYER M K， et al. Analysis and Suppression of SSN noise coupling between power/ground plane cavities through cutouts in multilayer packages and PCBs [J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging， 2005， 25（2）： 298?309.

[2] SWAMINATHAN M， CHUNG D， GRIVET?TALOCIA S， et al. Designing and modeling for power integrity [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2010， 52（2）： 288?310.

[3] ZHANG M. S， MAO J. F. A new systematic method for the modeling， analysis， and design of high?speed power?delivery networks by using distributed port [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2010， 58（11）： 2940?2951.

[4] SIEVENPIPER D， ZHANG L J， JIMENEZ B R F. High impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1999， 47（11）： 2059?2074.

[5] 路宏敏，余志勇，譚康伯，等.抑制同步開關(guān)噪聲的新穎電磁帶隙結(jié)構(gòu)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2012，46（6）：17?22.

[6] HUANG C H， WU T L. Analytical design of via lattice for ground planes noise suppression and application on embedded planar EBG structures [J]. IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2013， 3（1）： 21?30.

[7] KWON J H， SIM D U， KWAK S， et al. Novel electromagnetic bandgap array structure on power distribution network for suppressing simultaneous switching noise and minimizing effects on hign?speed signals [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2010，52（2）： 365?372.

[8] FALCONE F， LOPETEGI T， BAENA J， et al. Effective negative?stopband microstrip lines based on complementary split ring resonators [J]. IEEE Microwave Wireless Component Letters， 2004，14（6）： 280?282.

[9] BAIT?SUWAILAM M， RAMAHI O M. Ultrawideband mitigation of simultaneous swithing noise and EMI reduction in high?speed PCBs using complementary split?ring resonators [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2012， 54（2）： 389?396.

[10] ZHU H R， MAO J F. Localized planar EBG structure of CSRR for ultrawideband SSN mitigation and signal integrity improvement in mixed?signal system [J]. IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2013， 3（2）： 2092?2100.

2 仿真分析與驗證

為了驗證設(shè)計的CSRR結(jié)構(gòu)對SSN噪聲的抑制能力，假設(shè)圖1中P1（45 mm，30 mm）為激勵噪聲輸入端口，以P1為中心在電源平面上刻蝕圖2所示的CSRR結(jié)構(gòu)，將P2（60 mm，120 mm）和P3（90 mm，100 mm）設(shè)置為輸出端口，考慮到檢測級聯(lián)CSRR抑制噪聲的能力，在P2端口處也刻蝕一個CSRR結(jié)構(gòu)。采用基于有限元方法的HFSS軟件進(jìn)行仿真分析，同時為了進(jìn)行對比，對相同尺寸和相同端口位置的的理想?yún)⒖计矫婧臀墨I(xiàn)[7]中提出的共面型EBG結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了仿真分析。

仿真驗證刻蝕有CSRR結(jié)構(gòu)的PDN上輸入端口P1和輸出端口P2，P3之間的傳輸特性，從圖3所示的結(jié)果可以看出，當(dāng)要求阻帶深度為-40 dB以下時，[S21]表示的單級CSRR阻帶抑制帶寬覆蓋從0.26 GHz到超過20 GHz的頻率范圍，[S31]表示的兩級CSRR阻帶抑制帶寬覆蓋從0.22～25 GHz的頻率范圍，兩者均體現(xiàn)了文中提出的CSRR結(jié)構(gòu)具有很好的寬帶SSN噪聲抑制能力。

通過結(jié)果分析還可以看到，相同頻率范圍下，[S31]的平均抑制深度比[S21]大，說明CSRR的級聯(lián)噪聲抑制能力更優(yōu)秀，但兩者的帶寬范圍差別不大。同時，從端口P2和P3的維度位置不同可以判斷出，該CSRR結(jié)構(gòu)具有二維方向的噪聲抑制能力，可以有效抑制整板SSN噪聲。

圖4表示的是文中的CSRR結(jié)構(gòu)、理想?yún)⒖计矫婧臀墨I(xiàn)[7]中共面型EBG結(jié)構(gòu)這三種情況下，端口P1和P2之間的傳輸特性。從對比結(jié)果可以看出，在SSN噪聲比較集中的7 GHz以下頻帶內(nèi)，文中CSRR結(jié)構(gòu)抑制SSN噪聲的能力優(yōu)于理想?yún)⒖计矫婧湍⒐叫虴BG結(jié)構(gòu)。

從實際PCB制板的角度來看，相對于蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)，文中提出的CSRR結(jié)構(gòu)不需要額外的金屬層和過孔，制作工藝簡化，節(jié)約了制板成本；相對于共面型EBG結(jié)構(gòu)，該CSRR結(jié)構(gòu)不會大面積的破壞電源/地平面的連續(xù)性，只需要在重點隔離區(qū)域布設(shè)少量的結(jié)構(gòu)單元即可達(dá)到理想的噪聲抑制效果，從而減小了信號返回路徑不連續(xù)時引發(fā)的信號完整性問題。

3 結(jié) 語

為了增強(qiáng)高速PCB板的電源完整性，有效抑制寬帶SSN噪聲影響，本文提出了一種適合在電源平面上刻蝕的CSRR結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，與理想?yún)⒖计矫婧蛡鹘y(tǒng)的EBG結(jié)構(gòu)相比，布設(shè)了該CSRR結(jié)構(gòu)的PDN具有更優(yōu)秀的SSN抑制能力，在抑制深度為-40 dB時，其有效阻帶覆蓋了從0.26 GHz到超過20 GHz的頻率范圍，實現(xiàn)良好的低頻抑制特性和寬帶抑制能力。

參考文獻(xiàn)

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[10] ZHU H R， MAO J F. Localized planar EBG structure of CSRR for ultrawideband SSN mitigation and signal integrity improvement in mixed?signal system [J]. IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2013， 3（2）： 2092?2100.

2 仿真分析與驗證

為了驗證設(shè)計的CSRR結(jié)構(gòu)對SSN噪聲的抑制能力，假設(shè)圖1中P1（45 mm，30 mm）為激勵噪聲輸入端口，以P1為中心在電源平面上刻蝕圖2所示的CSRR結(jié)構(gòu)，將P2（60 mm，120 mm）和P3（90 mm，100 mm）設(shè)置為輸出端口，考慮到檢測級聯(lián)CSRR抑制噪聲的能力，在P2端口處也刻蝕一個CSRR結(jié)構(gòu)。采用基于有限元方法的HFSS軟件進(jìn)行仿真分析，同時為了進(jìn)行對比，對相同尺寸和相同端口位置的的理想?yún)⒖计矫婧臀墨I(xiàn)[7]中提出的共面型EBG結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了仿真分析。

仿真驗證刻蝕有CSRR結(jié)構(gòu)的PDN上輸入端口P1和輸出端口P2，P3之間的傳輸特性，從圖3所示的結(jié)果可以看出，當(dāng)要求阻帶深度為-40 dB以下時，[S21]表示的單級CSRR阻帶抑制帶寬覆蓋從0.26 GHz到超過20 GHz的頻率范圍，[S31]表示的兩級CSRR阻帶抑制帶寬覆蓋從0.22～25 GHz的頻率范圍，兩者均體現(xiàn)了文中提出的CSRR結(jié)構(gòu)具有很好的寬帶SSN噪聲抑制能力。

通過結(jié)果分析還可以看到，相同頻率范圍下，[S31]的平均抑制深度比[S21]大，說明CSRR的級聯(lián)噪聲抑制能力更優(yōu)秀，但兩者的帶寬范圍差別不大。同時，從端口P2和P3的維度位置不同可以判斷出，該CSRR結(jié)構(gòu)具有二維方向的噪聲抑制能力，可以有效抑制整板SSN噪聲。

圖4表示的是文中的CSRR結(jié)構(gòu)、理想?yún)⒖计矫婧臀墨I(xiàn)[7]中共面型EBG結(jié)構(gòu)這三種情況下，端口P1和P2之間的傳輸特性。從對比結(jié)果可以看出，在SSN噪聲比較集中的7 GHz以下頻帶內(nèi)，文中CSRR結(jié)構(gòu)抑制SSN噪聲的能力優(yōu)于理想?yún)⒖计矫婧湍⒐叫虴BG結(jié)構(gòu)。

從實際PCB制板的角度來看，相對于蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)，文中提出的CSRR結(jié)構(gòu)不需要額外的金屬層和過孔，制作工藝簡化，節(jié)約了制板成本；相對于共面型EBG結(jié)構(gòu)，該CSRR結(jié)構(gòu)不會大面積的破壞電源/地平面的連續(xù)性，只需要在重點隔離區(qū)域布設(shè)少量的結(jié)構(gòu)單元即可達(dá)到理想的噪聲抑制效果，從而減小了信號返回路徑不連續(xù)時引發(fā)的信號完整性問題。

3 結(jié) 語

為了增強(qiáng)高速PCB板的電源完整性，有效抑制寬帶SSN噪聲影響，本文提出了一種適合在電源平面上刻蝕的CSRR結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，與理想?yún)⒖计矫婧蛡鹘y(tǒng)的EBG結(jié)構(gòu)相比，布設(shè)了該CSRR結(jié)構(gòu)的PDN具有更優(yōu)秀的SSN抑制能力，在抑制深度為-40 dB時，其有效阻帶覆蓋了從0.26 GHz到超過20 GHz的頻率范圍，實現(xiàn)良好的低頻抑制特性和寬帶抑制能力。

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