高速PCB中过孔引起的同步开关噪声抑制研究

刘永勤

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

高速PCB中过孔引起的同步开关噪声抑制研究

刘永勤

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

高速PCB中，由于过孔数量较多导致信号产生严重畸变.文章首先分析了过孔对高速信号质量的影响，然后通过在过孔周围添加去耦电容器来抑制同步开关噪声(SSN).结果表明，在过孔周围添加去耦电容器可以有效地减小同步开关噪声，使得信号波动峰值减小，提高了信号质量.

过孔;去耦电容器;同步开关噪声

0 引言

随着数字系统向更高速度和更低功率的趋势发展，电源地平面上的同步开关噪声(SSN)已经成为高速设计的主要瓶颈之一［1-2］.由于SSN主要通过PDN传播，尤其是电源/地平面.因此，在PDN的设计中，除了必须保证前面讨论的功率的及时传输外，恰当管理PDN上的SSN以使整个电子系统更可靠地工作也是PDN设计的重要任务之一.尤其是在高速高密度的互连系统中，SSN非常严重，如果不加以有效的控制，会严重影响系统中噪声敏感的数字和模拟电路，如数模/模数变换器、锁相环、RF/模拟电路等.此外，SSN也会导致严重的EMI，干扰其它电子设备以及使电子产品本身不能通过电磁兼容测试.

1 去耦电容器抑制噪声原理

电源/地平面具有良好的传导特性和天然的谐振特性，它是系统中最重要的噪声源和传播路径.所有的过孔都穿过电源/地平面，电源/地平面组成了所有这些信号过孔的公用返回路径.由于公用电源/地平面的过孔数量大，使得各种丰富的噪声注入到电源/地平面之间［3］.SSN主要通过PDN传播，尤其是电源/地平面.

在电源/地平面之间，噪声可以来源于IC器件引脚的功率汲取，也可以来源于通过过孔切换的高速数字信号.对后者而言，电源/地平面的功能已从功率传输转化为提供低阻抗的返回路径，因此此时对于信号电流而言电源/地平面充当了所有过孔的返回路径，此时，对于过孔而言，电源/地平面的功能已经截然不同，它变成为不传输功率只提供返回路径的无源网络.提高过孔的信号传输质量和减小注入到PDN的噪声是相辅相成的.如果我们能减小过孔带来的回路阻抗不连续，就能提高过孔的信号传输质量.同时，减小了过孔返回路径的阻抗不连续，就能减小过孔返回电流在电源/地平面之间的噪声电压，进而减小经由电源/地平面造成的潜在噪声耦合.

减小过孔产生的电源噪声，就必须为过孔设计一条低阻抗的返回路径.所以，过孔噪声抑制与PDN的频域设计是相通的，都是要获得低阻抗电源/地平面(即平面PDN).因此，通过在过孔附近添加去耦电容器，能够达到减小过孔返回路径阻抗不连续的效果［4］.由于过孔切换而产生的返回电流选择阻抗较低的去耦电容器从本地返回，只有少量的返回电流从平面的其它地方返回，从而达到了噪声抑制的目的.

在去耦电容器的选择上，DC直流通路由VRM提供，低频交流通路由低频体电容器提供，而高频低阻抗由过孔附近的高频SMT电容器提供.返回路径的质量可以通过分析过孔对应处输入阻抗的频率特性来准确判断.在设计PDN时，高频去耦电容器是紧邻电源/地过孔放置的，并不是所有其他信号过孔都能有效使用这些为PDN提供功率而设计的高频去耦电容器.因此，还必须有意识地为高速信号过孔添加本地去耦电容器以提供本地信号的高频电流通路［5］.在高速设计中，对于关键的高速信号过孔，都会在其附近添加去耦电容器以达到提高过孔传输质量的效果，这样做也就减小了过孔注入到电源/地平面的噪声.

2 去耦电容器抑制噪声分析

仿真板选用8in×2in，四层板子结构如图1所示，线宽为5.64mil，每根线的特性阻抗约为50Ω，平面并列排列13根线，线间距离为50mil，线间串扰可以考虑不计.过孔连接第一层金属和第二层金属，通孔内径6mil，焊盘直径10mil，反焊盘直径14mil.仿真采用三种结构(图2)：(1)金属线只在第一层，没有过孔;(2)有过孔连接第一层和第四层金属;(3)在过孔附近添加去耦电容，添加模式如图3所示，所加去耦电容：C=47nF，ESL=0.9nH，ESR=0.844Ω.

每个仿真中13根线同时开关，所以我们给13根线加相同的激励源，所加激励：周期脉冲，上升时间Tr是300ps，下降时间Tf是300ps，Pulse width=0.5ns，周期1.5ns.观测不同模式下每条线近端和远端波形以及整个板子SSN仿真结果.图4是仿真板SSN测试结果，从结果可以看出，同时开关多根信号经过过孔会使板子电源/地电压产生较大的波动，在过孔周围添加去耦电容可以有效的减小SSN，使得信号波动峰值减小至原来的25%.图5是三种结构源端和远端的波形，从结果同样可以看出，过孔使得信号严重畸变，去耦电容可以最大程度地减小这种影响，提高信号质量.

3 结论

在高速PCB设计中，电源/地平面上的同步开关噪声(SSN)已经成为高速设计的主要瓶颈之一.由于公用电源/地平面的过孔数量大，使得各种丰富的噪声注入到电源/地平面之间.本文分析了过孔对同步开关噪声的影响，并通过在过孔周围添加去耦电容器来抑制同步开关噪声，结果表明，在过孔周围添加去耦电容器可以有效减小同步开关噪声，使得信号波动峰值减小，提高了信号质量.

［1］Madhavan Swaminathan，A.Ege Engin.芯片与系统的电源完整性建模与设计［M］.李玉山，张木水，译.北京：电子工业出版社，2010.101-104.

［2］Bogatin，Eric.Signal and power integrity-simplified，2nd ed［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2010.321-325.

［3］J.Zhao，Q.lun Chen，A new methodology for simultaneous switching noise simulation［J］.Proceedings of the Electrical Performance of Electronic Packaging，2000，155-158.

［4］B.Beker，D.Wallac.A methodology for optimal value selection of decoupling components for power delivery systems of highperformance ASICs［C］.Montery：A cademic Publishers，2002，195-198.

［5］J.M.Hobbs，H.Windlass，V.Sundaram，etal.Simultaneous switching noise suppression for high speed systems using embedded decoupling［J］.Proc.Electron.Comon.Technol.Conf，2001，339-343.

The Study of the Simultaneous Switching Noise Suppression Caused by Vias in High-speed Printed Circuit Boards

LIU Yong-qin
(School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Teachers University，Weinan 714000，China)

In high-speed Printed Circuit Boards，due to the large number of vias leading to serious distortion of the signal.The effects of the vias on the high-speed signals was analyzed firstly，and then the signal quality was analyzed after adding decoupling capacitors around the vias.The results show that adding decoupling capacitors around the vias can effectively reduce the simultaneous switching noise(SSN)，besides，the peak fluctuations of signals can be reduced and the signal quality is improved.

vias;decoupling capacitors;simultaneous switching noise(SSN)

TN86

A

1009—5128(2011)12—0042—04

2011—06—28

陕西省教育厅科研计划项目(11JK0936)

刘永勤(1981—)，男，甘肃静宁人，渭南师范学院物理与电气工程学院讲师，电路与系统专业硕士.研究方向：高速互连设计中的信号完整性分析.

［责任编辑 孙广才］