一種適用于同步開關(guān)噪聲抑制的共面電磁帶隙新結(jié)構(gòu)

陳 朋 汝 巖 廖立科

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一種適用于同步開關(guān)噪聲抑制的共面電磁帶隙新結(jié)構(gòu)

陳 朋*汝 巖 廖立科

(浙江工業(yè)大學信息工程學院 杭州 310023)

該文根據(jù)電磁帶隙結(jié)構(gòu)的帶隙形成機理及共面電磁帶隙結(jié)構(gòu)等效電路分析模型，通過引入新型的C-型橋接連線及開槽設(shè)計，提出了一種適用于高速電路同步開關(guān)噪聲(SSN)抑制的帶有狹縫的共面C-型橋電磁帶隙(CBS-EBG)結(jié)構(gòu)。實測結(jié)果表明，在抑制深度為?40 dB時，阻帶范圍為296 MHz~15 GHz，與LBS-EBG結(jié)構(gòu)相比，在保持高頻段SSN抑制性能的同時，阻帶下限截止頻率由432 MHz下降至296 MHz，有效降低了帶隙中心頻率。研究了局部拓撲下的信號傳輸特性，結(jié)果表明，當采用局部拓撲并選擇合適的走線策略時，該結(jié)構(gòu)在保持良好的SSN抑制性能的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的信號完整性。

電磁帶隙；信號完整性；電源完整性；同步開關(guān)噪聲；阻帶

1 引言

隨著電子系統(tǒng)向著高速度、高密度、高功耗、低電壓和大電流的趨勢發(fā)展，系統(tǒng)中大量高速開關(guān)器件同時進行狀態(tài)切換時，會引起嚴重的同步開關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise, SSN)。這些噪聲耦合至印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)的電源、地平面構(gòu)成的平行板波導中，將激起平面諧振，導致嚴重的電源完整性(Power Integrity, PI)問題，并最終引發(fā)信號完整性(Signal Integrity, SI)及電磁干擾(Electro-Magnetic Interference, EMI)等問題，影響電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至導致系統(tǒng)無法正常工作。如何有效地抑制SSN成為目前高速電路電源分配網(wǎng)絡(luò)(Power Distribution Network, PDN)設(shè)計研究的重點[1]。

早期的研究工作中提出了許多抑制SSN的方法，主要包括使用分立式去耦電容[2]、嵌入式電容[3]及電源層分割[4]等，但是這些方法都存在一定的不足：由于寄生電感的存在，去耦電容只適用于600 MHz以下的頻段；嵌入式電容需要額外的PCB層，導致PCB制造成本攀升且阻帶寬度有限；電源層分割破壞平面連續(xù)性，容易引起信號完整性問題。

電磁帶隙(Electromagnetic Band-Gap, EBG)結(jié)構(gòu)中周期性的高阻平面可以有效地抑制SSN的傳播，針對應(yīng)用EBG結(jié)構(gòu)抑制SSN的研究已經(jīng)取得了豐富的成果，例如文獻[5]提出的L-型橋結(jié)構(gòu)、文獻[6]提出的LBS結(jié)構(gòu)、文獻[7]提出的S-型橋結(jié)構(gòu)、文獻[8]提出的C-EBG、文獻[9]提出的TIDC結(jié)構(gòu)及文獻[10-12]提出的一些垂直結(jié)構(gòu)。然而，TIDC結(jié)構(gòu)及垂直EBG結(jié)構(gòu)需要額外的PCB層，傳統(tǒng)的共面EBG結(jié)構(gòu)阻帶寬度往往較低且低頻段SSN抑制性能略有不足。對此，本文提出了一種適用于高速電路SSN抑制的帶有狹縫的C-型橋電磁帶隙(C-shaped Bridges with Slits EBG, CBS-EBG)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主要特點在于其特殊的C-型橋接連線設(shè)計及開槽設(shè)計。本文后面部分主要包括以下內(nèi)容：首先通過共面EBG結(jié)構(gòu)的帶隙形成機理及共面EBG結(jié)構(gòu)1維等效電路分析模型，探討改善EBG結(jié)構(gòu)性能的思路；然后，通過引入新的C-型橋接連線及開槽設(shè)計，提出CBS-EBG結(jié)構(gòu)；建立了仿真分析模型并制作了相應(yīng)的PCB，通過仿真及實驗測量驗證了CBS-EBG結(jié)構(gòu)在全局范圍內(nèi)的SSN抑制性能；通過使用局部拓撲及適當?shù)淖呔€策略，闡明了局部拓撲結(jié)構(gòu)下，CBS-EBG能夠在保持高效的SSN抑制能力的同時，實現(xiàn)較好的信號完整性；最終，給出了本文研究的結(jié)論。

2 原理分析與設(shè)計思想

2.1 EBG結(jié)構(gòu)帶隙形成機理

EBG結(jié)構(gòu)的帶隙形成機理分為兩種[13]：一種是Bragg散射機理，另一種是局域諧振機理。在局域諧振型EBG結(jié)構(gòu)中，金屬貼片之間通過特殊的連接關(guān)系，形成局域電容與電感的諧振單元，利用結(jié)構(gòu)單元在諧振效應(yīng)下的高阻特性，阻止諧振頻率附近表面波的傳播，從而形成頻率帶隙。共面EBG結(jié)構(gòu)是局域諧振機理EBG的主要結(jié)構(gòu)之一。

2.2 共面EBG結(jié)構(gòu)等效電路分析

圖1 共面EBG結(jié)構(gòu)單元1維等效電路模型

3 CBS-EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計及SSN性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及SSN抑制仿真分析

CBS-EBG結(jié)構(gòu)矩陣、LBS-EBG結(jié)構(gòu)矩陣及完整平面分別作為電源層時模型端口1到端口2的傳輸參數(shù)仿真結(jié)果對比如圖5所示。仿真結(jié)果顯示，在抑制深度為?40 dB時，CBS-EBG結(jié)構(gòu)的阻帶范圍為294 MHz~15 GHz。與文獻[6]中提出的LBS- EBG結(jié)構(gòu)相比，CBS-EBG結(jié)構(gòu)在保持高頻段SSN抑制性能的同時，使阻帶下限截止頻率由432 MHz(該值為文獻[6]中的測量值，本文中的仿真值為452 MHz)下降至294 MHz，有效降低了阻帶中心頻率，改善了EBG結(jié)構(gòu)低頻段SSN的抑制性能。

圖2 CBS-EBG單元結(jié)構(gòu)及參數(shù)定義

圖3 相鄰兩個CBS-EBG結(jié)構(gòu)單元的連接示意圖

圖4 CBS-EBG電源地平面結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 CBS-EBG結(jié)構(gòu)性能測試及分析

為了驗證仿真結(jié)果的正確性，依據(jù)前文所述，制作與3種仿真模型(CBS-EBG結(jié)構(gòu)模型、LBS- EBG結(jié)構(gòu)模型及完整電源平面模型)相對應(yīng)的PCB, PCB中端口的設(shè)置與仿真模型中設(shè)置的相同，使用Agilent N9918A進行傳輸參數(shù)測量。

3種PCB模型下端口1到端口2的傳輸參數(shù)實測結(jié)果對比如圖7所示。對比結(jié)果表明，實測結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的一致性，CBS-EBG結(jié)構(gòu)和LBS-EBG結(jié)構(gòu)下限截止頻率實測值分別為296 MHz和470 MHz(文獻[6]中的測量值為432 MHz)，CBS-EBG結(jié)構(gòu)在保持高頻段SSN抑制性能的同時，有效降低了阻帶中心頻率，改善了EBG結(jié)構(gòu)低頻段SSN的抑制性能。表1給出了CBS-EBG結(jié)構(gòu)性能與已有部分成果的SSN抑制參數(shù)對比。

表1 CBS-EBG結(jié)構(gòu)與部分成果的性能對比

4 信號完整性分析

本文提出的CBS-EBG結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、阻帶范圍較寬且阻帶中心頻率較低的特點。然而，當使用CBS-EBG結(jié)構(gòu)矩陣替代完整的平行板電源平面時，不可避免會導致電源平面的不連續(xù)。當信號以該平面為參考平面時，信號返回路徑將被迫改變，信號回路電感增大，導致傳輸線阻抗不連續(xù)，最終引起信號反射、串擾及EMI等問題。當信號以完整的EBG結(jié)構(gòu)平面為返回路徑時，CBS-EBG結(jié)構(gòu)和LBS-EBG結(jié)構(gòu)下相鄰結(jié)構(gòu)單元間信號回路的示意圖如圖9所示：由于結(jié)構(gòu)單元之間特殊的連接方式，導致CBS-EBG結(jié)構(gòu)下信號路徑和信號返回路徑包圍的信號回路面積遠遠大于LBS-EBG結(jié)構(gòu)下的信號回路面積，CBS-EBG結(jié)構(gòu)將導致比LBS-EBG結(jié)構(gòu)更加嚴重的信號完整性問題。

圖5 傳輸參數(shù)仿真對比

圖6 CBS-EBG結(jié)構(gòu)與仿真對比

圖7 傳輸參數(shù)實測結(jié)果對比

圖8 CBS-EBG結(jié)構(gòu)與實測對比

圖9 兩種結(jié)構(gòu)下信號回路示意圖

圖10 4層PCB結(jié)構(gòu)模型

與仿真結(jié)果相對應(yīng)的實測結(jié)果對比如圖12所示，其中，與仿真模型相比，由于實際的PCB模型中多出兩個連接信號線與SMA接頭的過孔，導致高頻段信號線傳輸性能的退化較嚴重，但通過與局部LBS-EBG結(jié)構(gòu)下信號傳輸特性的對比可以得出，在局部拓撲下，CBS-EBG結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)與LBS- EBG結(jié)構(gòu)相近的信號完整性。

為了直觀地觀察局部拓撲CBS-EBG結(jié)構(gòu)下信號的質(zhì)量，使用Ansoft Designer軟件進行信號眼圖的仿真分析，在4層PCB仿真模型的端口1處添加27-1偽隨機二進位序列源，在端口2處觀察信號傳輸質(zhì)量。偽隨機序列源的中心頻率為3 GHz，信號上升時間及下降時間均為120 ps，信號擺幅為500 mV。各模型下傳輸線的信號仿真眼圖如圖13所示，其中，圖13(a)為參考平面為完整平面時單端信號眼圖；圖13(b)為參考平面為CBS-EBG結(jié)構(gòu)矩陣時單端信號眼圖；圖13(c)為參考平面為局部拓撲CBS- EBG并采用保持信號參考平面連續(xù)的布線策略時單端信號的眼圖。仿真結(jié)果的眼圖參數(shù)對比如表2所示，結(jié)果顯示：相較于以完整平面為參考平面，當單端信號以CBS-EBG結(jié)構(gòu)矩陣為參考平面時，信號眼高(Maximum Eye Open, MEO)由423 mV下降至150 mV，眼寬(Maximum Eye Width, MEW)由326 mV下降至283 mV，信號眼高和眼寬分別退化64.5%和13.2%，信號質(zhì)量退化嚴重，說明當單端信號以CBS-EBG結(jié)構(gòu)為參考平面時存在嚴重的信號完整性問題；當采用局部拓撲并選擇保持傳輸線參考平面連續(xù)的布線策略時，單端信號眼高為365 mV，眼寬為321 mV，與完整平面信號眼圖相比，眼高和眼寬的降低程度分別為13.7%和1.5%，表明當使用局部拓撲并采用適當?shù)淖呔€策略時，能夠明顯改善該結(jié)構(gòu)的信號傳輸質(zhì)量，局部CBS-EBG結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)較好的信號完整性。

圖11 傳輸線傳輸特性參數(shù)仿真

圖12 傳輸線傳輸特性參數(shù)實測對比

表2信號仿真眼圖參數(shù)對比

模型說明眼高MEO(mV)眼寬MEW(mV) 參考平面信號類型 完整平面單端信號423326 CBS-EBG單端信號150283 局部CBS-EBG單端信號365321

圖14 局部拓撲下CBS-EBG結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文通過設(shè)計C-型橋接連線并在橋接連線與金屬貼片的連接處增加狹縫，提出了CBS-EBG結(jié)構(gòu)。實測結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)在抑制深度為?40 dB時，阻帶范圍為296 MHz-15 GHz，在實現(xiàn)較寬阻帶寬度的同時，有效降低了阻帶中心頻率，增強了EBG結(jié)構(gòu)低頻段SSN抑制能力。同時，針對CBS-EBG結(jié)構(gòu)帶來的SI問題，研究了局部拓撲下的信號傳輸特性。結(jié)果表明，當采用局部拓撲并選擇適當?shù)淖呔€策略時，該結(jié)構(gòu)在保持良好的SSN抑制性能的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的信號完整性。

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陳 朋： 男，1981年生，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為高速系統(tǒng)設(shè)計與信號完整性.

汝 巖： 男，1986年生，碩士生，研究方向為高速電路電源完整性與信號完整性.

廖立科： 男，1991年生，碩士生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與 信號完整性.

A Novel Planar Electromagnetic Band-Gap Structure for SSN Suppression

Chen Peng Ru Yan Liao Li-ke

(,,310023,)

According to the physical mechanism and the equivalent circuit model of the planar Electromagnetic Band-Gap (EBG) structure, a novel planar EBG structure named CBS-EBG for Simultaneous Switching Noise (SSN) suppression in high-speed circuits is proposed by introducing the special C-shaped Bridges and Slits (CBS). Real-data experiment shows that ?40 dB stopband is realized from 296 MHz~15 GHz. Compared with theLBS-EBG structure, the lower cutoff frequency decreases from 432 MHz to 296 MHz with a similar higher frequency range performance, and a lower band-gap center frequency is realized. The transfer characteristic of the signal under localized CBS-EBG is studied. Simulation and measurement are performed to verify the high performance of the proposed CBS-EBG both in SSN suppression and signal integrity with the local topology and appropriate routing policy.

Electromagnetic Band-Gap (EBG); Signal Integrity (SI); Power Integrity (PI); Simultaneous Switching Noise (SSN); Stop-band

TN811

A

1009-5896(2014)11-2775-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01987

陳朋 chenpeng@zjut.edu.cn

2013-12-23收到，2014-03-12改回

國家自然科學基金(61303139)資助課題