抑制同步開關(guān)噪聲的新型電磁帶隙電源平面

張光碩,路宏敏,譚康伯,官 喬,肖駿飛

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,陜西西安 710071)

抑制同步開關(guān)噪聲的新型電磁帶隙電源平面

張光碩,路宏敏,譚康伯,官 喬,肖駿飛

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,陜西西安 710071)

針對(duì)印刷電路板中電源平面與接地平面間的同步開關(guān)噪聲抑制問(wèn)題,提出了一種新型的超寬帶二維電磁帶隙電源平面.新型電磁帶隙電源平面的阻帶帶隙抑制深度為-30 dB,阻帶寬度為11.14 GHz,下限截止頻率為0.28 GHz,其同步開關(guān)噪聲抑制特性的測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好.與同參數(shù)的L-bridged電磁帶隙結(jié)構(gòu)比較,新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)的阻帶帶寬增加約48.7%,下限截止頻率降低0.46 GHz.當(dāng)采用差分線對(duì)傳輸信號(hào)時(shí),新型電磁帶隙電源平面對(duì)信號(hào)的完整性影響較小,有助于改善高速數(shù)字電路系統(tǒng)的電磁兼容性.

同步開關(guān)噪聲;電磁帶隙;印刷電路板;電磁兼容

近年來(lái)具有高速微處理器、存貯器件、射頻電路和模擬傳感器的混合信號(hào)系統(tǒng),常常集成于單塊多層印刷電路板上,因此,抑制印刷電路板電源平面和地平面上的同步開關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise,SSN)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的興趣和關(guān)注[1],一方面,數(shù)字開關(guān)器件產(chǎn)生的同步開關(guān)噪聲,通過(guò)電源平面或地平面?zhèn)鞑?顯著降低了系統(tǒng)性能,從而降低了噪聲容限和敏感性[2];另一方面,數(shù)字器件工作頻率和數(shù)據(jù)率的日益提高,導(dǎo)致同步開關(guān)噪聲的頻譜范圍從兆赫茲擴(kuò)展到吉赫茲[3].因此,探索抑制混合信號(hào)系統(tǒng)寬帶SSN的新方法,對(duì)于印刷電路板的電源完整性、信號(hào)完整性和電磁兼容性設(shè)計(jì)具有重要應(yīng)用價(jià)值.

先前的研究表明,印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)電源平面與地平面間跨接分立去耦電容器是抑制SSN的一種有效方法,然而去耦電容器的寄生引線電感和電阻,限制了分立去耦電容器抑制高頻SSN的頻率上限為數(shù)百兆赫茲[1].為克服分立去耦電容器的固有局限性,引入了電源島、分割電源平面等方法以降低SSN.這些方法是降低SSN的簡(jiǎn)單有效方法,呈現(xiàn)出窄帶抑制帶寬和不適應(yīng)吉赫茲頻率范圍的缺陷[1-4].為實(shí)現(xiàn)吉赫茲頻率范圍內(nèi)抑制SSN,提出了應(yīng)用電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap,EBG)結(jié)構(gòu)抑制SSN的各種方法[3-9],新近也有學(xué)者提出了一些改進(jìn)方法[10-11].然而,現(xiàn)有抑制SSN的各種EBG結(jié)構(gòu),不能滿足兆赫茲帶寬的深度SSN抑制.為此,筆者提出了一種覆蓋兆赫茲頻率范圍的寬帶新型EBG結(jié)構(gòu)電源平面,以抑制SSN同時(shí)適應(yīng)信號(hào)完整性的要求.

1　新型EBG電源平面設(shè)計(jì)

平面型EBG結(jié)構(gòu)中的周期性單元的諧振效應(yīng)能夠產(chǎn)生一定的阻帶抑制帶隙[4],為此可對(duì)平面型EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),使其等效的LC電路在特定的頻率范圍內(nèi)發(fā)生諧振,利用諧振中心頻率附近等效阻抗接近無(wú)限的特性,抑制電源平面上電磁波的傳播.阻帶帶隙的相對(duì)帶寬和中心頻率是由以下兩個(gè)公式中的等效電容和等效電感確定[12]的,即

式(1)顯示,減小阻帶帶隙的中心頻率,以降低下限截止頻率的應(yīng)用目標(biāo),可通過(guò)增加等效電容和等效電感的方法實(shí)現(xiàn).阻帶帶隙相對(duì)帶寬的式(2)顯示,等效電感的增加和等效電容的減少,可拓寬阻帶帶隙的帶寬.綜合考慮可見,增加EBG結(jié)構(gòu)等效電感和等效電容的同時(shí),使得電感的增量相比電容的增量增加較多,就可設(shè)計(jì)出抑制SSN的寬帶且下限截止頻率低的EBG結(jié)構(gòu),從而達(dá)到有效消除模數(shù)混合信號(hào)電路中電源平面和接地平面之間存在的SSN.然而,在實(shí)際應(yīng)用中,必須同時(shí)考慮EBG電源平面對(duì)信號(hào)完整性的影響問(wèn)題.

新型EBG單元構(gòu)造如圖1所示,相應(yīng)的幾何參數(shù)a1=30.0 mm,a2=7.2 mm,a3=7.2 mm,枝節(jié)長(zhǎng)度l1=4.05 mm,l2=15.3 mm,l3=27.0 mm,枝節(jié)寬度w1=0.2 mm,w2=0.2 mm,w3=0.5 mm,縫隙寬度g1=0.2 mm,g2=0.2 mm.圖2給出了相鄰EBG單元構(gòu)造的新型EBG結(jié)構(gòu),即電磁帶隙電源平面.當(dāng)激勵(lì)端加載激勵(lì)信號(hào)時(shí),電流會(huì)從一個(gè)結(jié)構(gòu)單元流向另外一個(gè)結(jié)構(gòu)單元,連接結(jié)構(gòu)單元的金屬枝節(jié)是單元間連接的主要通路.該金屬枝節(jié)具有較長(zhǎng)的有效長(zhǎng)度,其等效的LC電路會(huì)具有較大的有效電感值.根據(jù)阻帶帶隙的相對(duì)帶寬和中心頻率的確定公式可以知道,相對(duì)較大的有效電感值可使該LC電路在發(fā)生諧振時(shí)具有較低的下限截止頻率和較寬的阻帶抑制寬度.同時(shí),構(gòu)建EBG的過(guò)程中對(duì)電源平面完整性的影響不大,采用該EBG結(jié)構(gòu)作為電源平面,不會(huì)對(duì)信號(hào)完整性造成太大的影響.

圖2　新型EBG結(jié)構(gòu)

2　新型EBG電源平面的抑制特性分析

為了研究新型EBG結(jié)構(gòu)抑制SSN的性能,文中采用Ansoft HFSS軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)尺寸為90.0 mm× 90.0 mm×0.4 mm的3×3陣列EBG結(jié)構(gòu),作為電磁帶隙電源平面,地平面為連續(xù)完整的金屬板,如圖3所示.電源平面和地平面之間采用FR-4的介質(zhì)材料,該材料的損耗角正切是0.02,介電常數(shù)為4.4.將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在整個(gè)結(jié)構(gòu)的左下角,輸入端口采用50Ω標(biāo)準(zhǔn)同軸激勵(lì),輸入端口1設(shè)置在(45.0 mm,45.0 mm,0.4 mm)的位置,輸出端口2設(shè)置在(75.0 mm,45.0 mm,0.4 mm)的位置,輸出端口3設(shè)置在(75.0 mm,15.0 mm,0.4 mm)的位置.

采用圖3的電磁仿真結(jié)構(gòu),分析新型EBG電源平面、完整金屬電源平面和L-bridged EBG電源平面[5]抑制SSN的特性,且以國(guó)際公認(rèn)數(shù)值-30 d B定義阻帶帶隙抑制深度.上述3種不同電源平面S21仿真結(jié)果如圖4所示,從仿真結(jié)果可以看出,新型EBG結(jié)構(gòu)電源平面的下限截止頻率為0.27 GHz,上限可延伸至20.00 GHz,阻帶帶隙寬度達(dá)19.73 GHz;L-bridged EBG電源平面的下限截止頻率為0.74 GHz,上限截止頻率為4.75 GHz,阻帶帶隙寬度為4.01 GHz;完整金屬電源平面則沒(méi)有明顯的阻帶帶隙,不具備抑制模擬數(shù)字混合信號(hào)電路中電源平面和接地平面之間的SSN的能力.

圖3　3×3的陣列單元立體圖

圖4　不同電源平面S21仿真結(jié)果對(duì)比

電磁帶隙結(jié)構(gòu)的阻帶帶隙中心頻率和相對(duì)帶寬的計(jì)算公式[6]為

由上述兩個(gè)公式和仿真結(jié)果可計(jì)算出新型EBG結(jié)構(gòu)的中心頻率為10.135 GHz,相對(duì)阻帶帶寬可達(dá)194.7%.而L-bridged EBG結(jié)構(gòu)的中心頻率為2.745 GHz,相對(duì)阻帶帶寬為146%.與L-bridged EBG結(jié)構(gòu)比較,新型EBG結(jié)構(gòu)阻帶帶隙的下限截止頻率降低了0.470 GHz,相對(duì)阻帶帶寬增加了48.7%,具有更好的抑制SSN的特性.

圖5為新型EBG結(jié)構(gòu)的端口1到端口2的傳輸系數(shù)S21與端口1到端口3的傳輸系數(shù)S31的對(duì)比,從圖5可以看出,在0.27～11.34 GHz的頻率范圍,基本保持-30 dB的阻帶帶隙抑制深度.表明新型EBG結(jié)構(gòu)在該頻率范圍內(nèi)具有電源平面上各向同性抑制模數(shù)混合信號(hào)電路中SSN的能力.

圖5　新型EBG結(jié)構(gòu)S21和S31仿真結(jié)果

圖6　新型EBG結(jié)構(gòu)電源平面的實(shí)物照片

3　新型EBG電源平面抑制特性實(shí)測(cè)

為驗(yàn)證新型EBG電源平面抑制SSN的有效性,委托某研究所基于現(xiàn)有的印制電路板加工工藝,根據(jù)電磁仿真結(jié)構(gòu)尺寸和相關(guān)參數(shù),采用雙層印制電路板制作了新型EBG電源平面實(shí)物,如圖6所示.

該電路板的一面蝕刻成新型EBG結(jié)構(gòu)電源平面,另一面則采用連續(xù)完整的金屬面作為地平面,激勵(lì)端口采用50Ω的SMA接頭,使用安捷倫N5230a矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試,圖7和圖8分別為新型EBG結(jié)構(gòu)S21及S31的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果.

圖7　新型EBG結(jié)構(gòu)S21仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果

圖8　新型EBG結(jié)構(gòu)S31仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果

從實(shí)際測(cè)量的結(jié)果可知,對(duì)于-30 dB的阻帶帶隙抑制深度,新型EBG結(jié)構(gòu)的S21下限截止頻率為0.28 GHz,上限截止頻率為11.42 GHz,阻帶寬度為11.14 GHz;而新型EBG結(jié)構(gòu)的S31的下限截止頻率為0.34 GHz,上限截止頻率為11.38 GHz,阻帶寬度為11.04 GHz.從圖7和圖8可看出,新型EBG結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致,表明了采用這種EBG結(jié)構(gòu),能夠有效抑制模數(shù)信號(hào)混合電路中電源平面或地平面的SSN.

4　新型EBG電源平面的信號(hào)完整性分析

完整電源平面被蝕刻成EBG結(jié)構(gòu),會(huì)造成信號(hào)完整性的降低[13],影響信號(hào)傳輸質(zhì)量.為驗(yàn)證新型EBG電源平面的信號(hào)完整性,如同參考文獻(xiàn)[13],基于實(shí)際PCB工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)4層的PCB,該電路板的側(cè)視圖如圖9所示,各層之間的間距為0.5 mm,信號(hào)傳輸線的特性阻抗為50Ω,線寬為1 mm.在該P(yáng)CB中最上層和最下層為信號(hào)層,而中間兩層中一層為EBG結(jié)構(gòu)層,另一層為接地層,傳輸線中的信號(hào)最開始沿著頂層傳播,經(jīng)過(guò)通孔后到達(dá)最下層,再經(jīng)過(guò)第2個(gè)通孔返回最上層.

圖9　信號(hào)完整性仿真?zhèn)纫晥D

圖10　采用單根信號(hào)線的完整電源平面眼圖

圖11　采用單根信號(hào)線的新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)電源平面眼圖

圖12　采用差分信號(hào)線的新型電磁帶隙電源平面眼圖

采用Ansoft Designer軟件對(duì)新型電磁帶隙電源平面對(duì)信號(hào)的影響進(jìn)行仿真分析,在端口1處輸入一串27-1偽隨機(jī)比特序列,端口2負(fù)責(zé)接收信號(hào).比特序列信號(hào)源的中心頻率為3 GHz,上升沿及下降沿時(shí)間均設(shè)為120 ps,高低電平之間的電位差值為500 m V.完整電源平面和新型EBG電源平面的眼圖仿真結(jié)果如圖10和圖11所示.

衡量信號(hào)完整性好壞的兩個(gè)重要參數(shù)分別為最大眼睛張開(Maximum Eye Open,MEO)和最大眼睛展寬(Maximum Eye Width,MEW).從仿真結(jié)果可得出,完整電源平面的最大眼睛張開值為414 m V,最大眼睛寬度值為381 ps.新型EBG電源平面的最大眼睛張開為329 m V,最大眼睛寬度為362 ps.與完整電源平面相比,采用單根信號(hào)線的新型EBG電源平面,MEO和MEW分別降低了20.5%和5.0%.由此可見,采用新型EBG電源平面抑制SSN的同時(shí),若采用單根傳輸線傳輸信號(hào)容易造成較大的碼間干擾,信號(hào)完整性降低明顯.

為改善新型EBG電源平面的信號(hào)完整性,在同樣的PCB上采用差分線對(duì)傳輸信號(hào),差分線對(duì)的特性阻抗設(shè)置為100Ω,線寬為0.5 mm,差分線對(duì)間距設(shè)置為0.25 mm.圖12為采用差分線對(duì)傳輸信號(hào)時(shí)的新型EBG電源平面信號(hào)完整性眼圖,最大眼睛張開為406 m V,最大眼睛寬度為380 ps,相比于完整電源平面,新型EBG電源平面的MEO和MEW降低幅度分別為1.9%和0.2%.可見,在將完整電源平面蝕刻成EBG結(jié)構(gòu)來(lái)抑制SSN時(shí),采用差分線對(duì)傳輸信號(hào)不會(huì)對(duì)信號(hào)完整性帶來(lái)明顯的影響.表1為3種情況下眼圖質(zhì)量的對(duì)比.

表1　3種情況下眼圖質(zhì)量對(duì)比

5　結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種阻帶帶隙抑制深度為-30 dB、阻帶寬度為11.14 GHz、下限截止頻率為0.28 GHz,抑制SSN的新型EBG電源平面.抑制SSN特性的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合.與傳統(tǒng)的L-bridged EBG電源平面相比,新型EBG電源平面的相對(duì)帶寬擴(kuò)展了約48.7%,下限截止頻率下降了0.47 GHz.當(dāng)采用差分線對(duì)傳輸信號(hào)時(shí),新型EBG電源平面對(duì)信號(hào)的完整性影響較小.

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(編輯:齊淑娟)

Novel power plane with an electromagnetic bandgap structure for suppression of simultaneous switching noise

ZHANG Guangshuo,LU Hongmin,TAN Kangbo,GUANG Qiao,XIAO Junfei
(School of Electronic Engineering,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

For ultra-wideband suppression of simultaneous switching noise between the power plane and the ground plane within the printed circuit board,a novel power plane with planar electromagnetic bandgap structures is proposed.When the suppression depth of the bandgap is-30 dB,the width of the stop-band is 11.14 GHz and the lower cut-off frequency is 0.28 GHz.The simulated and measured results of the novel power plane with planar electromagnetic bandgap structures are in good ageement.The new EBG’s stopband is dramatically increased about 48.7%,with the lower cut-off frequency decreased to 0.46 GHz compared with the L-bridged EBG structure with the same parameters.The signal integrity of the new EBG power plane can be improved by using differential transmission lines.This work is helpful for the EMC improvement of high speed digital circuits.

simultaneous switching noise(SSN);electromagnetic band gap(EBG);printed circuit boards (PCB);electromagnetic compatibility(EMC)

TN41

A

1001-2400(2016)05-0052-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.05.010

2015-08-31 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015-12-10

國(guó)家部委預(yù)研基金資助項(xiàng)目(9140xxxxxxx)

張光碩(1990-),男,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:guangshuozhang@foxmail.com.

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151210.1529.020.html