張光碩,路宏敏,譚康伯,官 喬,肖駿飛

(西安電子科技大學電子工程學院,陜西西安 710071)

抑制同步開關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

(西安電子科技大學電子工程學院,陜西西安 710071)

針對印刷電路板中電源平面與接地平面間的同步開關噪聲抑制問題,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,其同步開關噪聲抑制特性的測量結果與仿真結果吻合良好.與同參數(shù)的L-bridged電磁帶隙結構比較,新型電磁帶隙結構的阻帶帶寬增加約48.7%,下限截止頻率降低0.46 GHz.當采用差分線對傳輸信號時,新型電磁帶隙電源平面對信號的完整性影響較小,有助于改善高速數(shù)字電路系統(tǒng)的電磁兼容性.

同步開關噪聲;電磁帶隙;印刷電路板;電磁兼容

近年來具有高速微處理器、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噪聲(Simultaneous Switching Noise,SSN)引起國內(nèi)外學者的興趣和關注[1],一方面,數(shù)字開關器件產(chǎn)生的同步開關噪聲,通過電源平面或地平面?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,導致同步開關噪聲的頻譜范圍從兆赫茲擴展到吉赫茲[3].因此,探索抑制混合信號系統(tǒng)寬帶SSN的新方法,對于印刷電路板的電源完整性、信號完整性和電磁兼容性設計具有重要應用價值.

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的簡單有效方法,呈現(xiàn)出窄帶抑制帶寬和不適應吉赫茲頻率范圍的缺陷[1-4].為實現(xiàn)吉赫茲頻率范圍內(nèi)抑制SSN,提出了應用電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap,EBG)結構抑制SSN的各種方法[3-9],新近也有學者提出了一些改進方法[10-11].然而,現(xiàn)有抑制SSN的各種EBG結構,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結構電源平面,以抑制SSN同時適應信號完整性的要求.

1　新型EBG電源平面設計

平面型EBG結構中的周期性單元的諧振效應能夠產(chǎn)生一定的阻帶抑制帶隙[4],為此可對平面型EBG結構進行設計,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限的特性,抑制電源平面上電磁波的傳播.阻帶帶隙的相對帶寬和中心頻率是由以下兩個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用目標,可通過增加等效電容和等效電感的方法實現(xiàn).阻帶帶隙相對帶寬的式(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結構等效電感和等效電容的同時,使得電感的增量相比電容的增量增加較多,就可設計出抑制SSN的寬帶且下限截止頻率低的EBG結構,從而達到有效消除模數(shù)混合信號電路中電源平面和接地平面之間存在的SSN.然而,在實際應用中,必須同時考慮EBG電源平面對信號完整性的影響問題.

新型EBG單元構造如圖1所示,相應的幾何參數(shù)a1=30.0 mm,a2=7.2 mm,a3=7.2 mm,枝節(jié)長度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單元構造的新型EBG結構,即電磁帶隙電源平面.當激勵端加載激勵信號時,電流會從一個結構單元流向另外一個結構單元,連接結構單元的金屬枝節(jié)是單元間連接的主要通路.該金屬枝節(jié)具有較長的有效長度,其等效的LC電路會具有較大的有效電感值.根據(jù)阻帶帶隙的相對帶寬和中心頻率的確定公式可以知道,相對較大的有效電感值可使該LC電路在發(fā)生諧振時具有較低的下限截止頻率和較寬的阻帶抑制寬度.同時,構建EBG的過程中對電源平面完整性的影響不大,采用該EBG結構作為電源平面,不會對信號完整性造成太大的影響.

圖2　新型EBG結構

2　新型EBG電源平面的抑制特性分析

為了研究新型EBG結構抑制SSN的性能,文中采用Ansoft HFSS軟件設計了一個尺寸為90.0 mm× 90.0 mm×0.4 mm的3×3陣列EBG結構,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.將坐標原點設置在整個結構的左下角,輸入端口采用50Ω標準同軸激勵,輸入端口1設置在(45.0 mm,45.0 mm,0.4 mm)的位置,輸出端口2設置在(75.0 mm,45.0 mm,0.4 mm)的位置,輸出端口3設置在(75.0 mm,15.0 mm,0.4 mm)的位置.

采用圖3的電磁仿真結構,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,且以國際公認數(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仿真結果如圖4所示,從仿真結果可以看出,新型EBG結構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有明顯的阻帶帶隙,不具備抑制模擬數(shù)字混合信號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仿真結果對比

電磁帶隙結構的阻帶帶隙中心頻率和相對帶寬的計算公式[6]為

由上述兩個公式和仿真結果可計算出新型EBG結構的中心頻率為10.135 GHz,相對阻帶帶寬可達194.7%.而L-bridged EBG結構的中心頻率為2.745 GHz,相對阻帶帶寬為146%.與L-bridged EBG結構比較,新型EBG結構阻帶帶隙的下限截止頻率降低了0.470 GHz,相對阻帶帶寬增加了48.7%,具有更好的抑制SSN的特性.

圖5為新型EBG結構的端口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結構在該頻率范圍內(nèi)具有電源平面上各向同性抑制模數(shù)混合信號電路中SSN的能力.

圖5　新型EBG結構S21和S31仿真結果

圖6　新型EBG結構電源平面的實物照片

3　新型EBG電源平面抑制特性實測

為驗證新型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)電磁仿真結構尺寸和相關參數(shù),采用雙層印制電路板制作了新型EBG電源平面實物,如圖6所示.

該電路板的一面蝕刻成新型EBG結構電源平面,另一面則采用連續(xù)完整的金屬面作為地平面,激勵端口采用50Ω的SMA接頭,使用安捷倫N5230a矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試,圖7和圖8分別為新型EBG結構S21及S31的仿真和實測結果.

圖7　新型EBG結構S21仿真和實測結果

圖8　新型EBG結構S31仿真和實測結果

從實際測量的結果可知,對于-30 dB的阻帶帶隙抑制深度,新型EBG結構的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結構的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結構的傳輸系數(shù)實測結果與仿真結果基本保持一致,表明了采用這種EBG結構,能夠有效抑制模數(shù)信號混合電路中電源平面或地平面的SSN.

4　新型EBG電源平面的信號完整性分析

完整電源平面被蝕刻成EBG結構,會造成信號完整性的降低[13],影響信號傳輸質量.為驗證新型EBG電源平面的信號完整性,如同參考文獻[13],基于實際PCB工藝設計了一個4層的PCB,該電路板的側視圖如圖9所示,各層之間的間距為0.5 mm,信號傳輸線的特性阻抗為50Ω,線寬為1 mm.在該PCB中最上層和最下層為信號層,而中間兩層中一層為EBG結構層,另一層為接地層,傳輸線中的信號最開始沿著頂層傳播,經(jīng)過通孔后到達最下層,再經(jīng)過第2個通孔返回最上層.

圖9　信號完整性仿真?zhèn)纫晥D

圖10　采用單根信號線的完整電源平面眼圖

圖11　采用單根信號線的新型電磁帶隙結構電源平面眼圖

圖12　采用差分信號線的新型電磁帶隙電源平面眼圖

采用Ansoft Designer軟件對新型電磁帶隙電源平面對信號的影響進行仿真分析,在端口1處輸入一串27-1偽隨機比特序列,端口2負責接收信號.比特序列信號源的中心頻率為3 GHz,上升沿及下降沿時間均設為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果如圖10和圖11所示.

衡量信號完整性好壞的兩個重要參數(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,若采用單根傳輸線傳輸信號容易造成較大的碼間干擾,信號完整性降低明顯.

為改善新型EBG電源平面的信號完整性,在同樣的PCB上采用差分線對傳輸信號,差分線對的特性阻抗設置為100Ω,線寬為0.5 mm,差分線對間距設置為0.25 mm.圖12為采用差分線對傳輸信號時的新型EBG電源平面信號完整性眼圖,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結構來抑制SSN時,采用差分線對傳輸信號不會對信號完整性帶來明顯的影響.表1為3種情況下眼圖質量的對比.

表1　3種情況下眼圖質量對比

5　結束語

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特性的仿真結果與實測結果相吻合.與傳統(tǒng)的L-bridged EBG電源平面相比,新型EBG電源平面的相對帶寬擴展了約48.7%,下限截止頻率下降了0.47 GHz.當采用差分線對傳輸信號時,新型EBG電源平面對信號的完整性影響較小.

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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)絡出版時間:2015-12-10

國家部委預研基金資助項目(9140xxxxxxx)

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

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