一种适用于同步开关噪声抑制的共面电磁带隙新结构

陈 朋 汝 岩 廖立科



一种适用于同步开关噪声抑制的共面电磁带隙新结构

陈 朋*汝 岩 廖立科

(浙江工业大学信息工程学院 杭州 310023)

该文根据电磁带隙结构的带隙形成机理及共面电磁带隙结构等效电路分析模型，通过引入新型的C-型桥接连线及开槽设计，提出了一种适用于高速电路同步开关噪声(SSN)抑制的带有狭缝的共面C-型桥电磁带隙(CBS-EBG)结构。实测结果表明，在抑制深度为−40 dB时，阻带范围为296 MHz~15 GHz，与LBS-EBG结构相比，在保持高频段SSN抑制性能的同时，阻带下限截止频率由432 MHz下降至296 MHz，有效降低了带隙中心频率。研究了局部拓扑下的信号传输特性，结果表明，当采用局部拓扑并选择合适的走线策略时，该结构在保持良好的SSN抑制性能的同时，能够实现较好的信号完整性。

电磁带隙；信号完整性；电源完整性；同步开关噪声；阻带

1 引言

随着电子系统向着高速度、高密度、高功耗、低电压和大电流的趋势发展，系统中大量高速开关器件同时进行状态切换时，会引起严重的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise, SSN)。这些噪声耦合至印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)的电源、地平面构成的平行板波导中，将激起平面谐振，导致严重的电源完整性(Power Integrity, PI)问题，并最终引发信号完整性(Signal Integrity, SI)及电磁干扰(Electro-Magnetic Interference, EMI)等问题，影响电子系统的稳定性，甚至导致系统无法正常工作。如何有效地抑制SSN成为目前高速电路电源分配网络(Power Distribution Network, PDN)设计研究的重点[1]。

早期的研究工作中提出了许多抑制SSN的方法，主要包括使用分立式去耦电容[2]、嵌入式电容[3]及电源层分割[4]等，但是这些方法都存在一定的不足：由于寄生电感的存在，去耦电容只适用于600 MHz以下的频段；嵌入式电容需要额外的PCB层，导致PCB制造成本攀升且阻带宽度有限；电源层分割破坏平面连续性，容易引起信号完整性问题。

电磁带隙(Electromagnetic Band-Gap, EBG)结构中周期性的高阻平面可以有效地抑制SSN的传播，针对应用EBG结构抑制SSN的研究已经取得了丰富的成果，例如文献[5]提出的L-型桥结构、文献[6]提出的LBS结构、文献[7]提出的S-型桥结构、文献[8]提出的C-EBG、文献[9]提出的TIDC结构及文献[10-12]提出的一些垂直结构。然而，TIDC结构及垂直EBG结构需要额外的PCB层，传统的共面EBG结构阻带宽度往往较低且低频段SSN抑制性能略有不足。对此，本文提出了一种适用于高速电路SSN抑制的带有狭缝的C-型桥电磁带隙(C-shaped Bridges with Slits EBG, CBS-EBG)结构，该结构的主要特点在于其特殊的C-型桥接连线设计及开槽设计。本文后面部分主要包括以下内容：首先通过共面EBG结构的带隙形成机理及共面EBG结构1维等效电路分析模型，探讨改善EBG结构性能的思路；然后，通过引入新的C-型桥接连线及开槽设计，提出CBS-EBG结构；建立了仿真分析模型并制作了相应的PCB，通过仿真及实验测量验证了CBS-EBG结构在全局范围内的SSN抑制性能；通过使用局部拓扑及适当的走线策略，阐明了局部拓扑结构下，CBS-EBG能够在保持高效的SSN抑制能力的同时，实现较好的信号完整性；最终，给出了本文研究的结论。

2 原理分析与设计思想

2.1 EBG结构带隙形成机理

EBG结构的带隙形成机理分为两种[13]：一种是Bragg散射机理，另一种是局域谐振机理。在局域谐振型EBG结构中，金属贴片之间通过特殊的连接关系，形成局域电容与电感的谐振单元，利用结构单元在谐振效应下的高阻特性，阻止谐振频率附近表面波的传播，从而形成频率带隙。共面EBG结构是局域谐振机理EBG的主要结构之一。

2.2 共面EBG结构等效电路分析

图1 共面EBG结构单元1维等效电路模型

3 CBS-EBG结构设计及SSN性能分析

3.1 结构设计及SSN抑制仿真分析

CBS-EBG结构矩阵、LBS-EBG结构矩阵及完整平面分别作为电源层时模型端口1到端口2的传输参数仿真结果对比如图5所示。仿真结果显示，在抑制深度为−40 dB时，CBS-EBG结构的阻带范围为294 MHz~15 GHz。与文献[6]中提出的LBS- EBG结构相比，CBS-EBG结构在保持高频段SSN抑制性能的同时，使阻带下限截止频率由432 MHz(该值为文献[6]中的测量值，本文中的仿真值为452 MHz)下降至294 MHz，有效降低了阻带中心频率，改善了EBG结构低频段SSN的抑制性能。

图2 CBS-EBG单元结构及参数定义

图3 相邻两个CBS-EBG结构单元的连接示意图

图4 CBS-EBG电源地平面结构示意图

3.2 CBS-EBG结构性能测试及分析

为了验证仿真结果的正确性，依据前文所述，制作与3种仿真模型(CBS-EBG结构模型、LBS- EBG结构模型及完整电源平面模型)相对应的PCB, PCB中端口的设置与仿真模型中设置的相同，使用Agilent N9918A进行传输参数测量。

3种PCB模型下端口1到端口2的传输参数实测结果对比如图7所示。对比结果表明，实测结果与仿真结果具有良好的一致性，CBS-EBG结构和LBS-EBG结构下限截止频率实测值分别为296 MHz和470 MHz(文献[6]中的测量值为432 MHz)，CBS-EBG结构在保持高频段SSN抑制性能的同时，有效降低了阻带中心频率，改善了EBG结构低频段SSN的抑制性能。表1给出了CBS-EBG结构性能与已有部分成果的SSN抑制参数对比。

表1 CBS-EBG结构与部分成果的性能对比

4 信号完整性分析

本文提出的CBS-EBG结构具有结构简单、阻带范围较宽且阻带中心频率较低的特点。然而，当使用CBS-EBG结构矩阵替代完整的平行板电源平面时，不可避免会导致电源平面的不连续。当信号以该平面为参考平面时，信号返回路径将被迫改变，信号回路电感增大，导致传输线阻抗不连续，最终引起信号反射、串扰及EMI等问题。当信号以完整的EBG结构平面为返回路径时，CBS-EBG结构和LBS-EBG结构下相邻结构单元间信号回路的示意图如图9所示：由于结构单元之间特殊的连接方式，导致CBS-EBG结构下信号路径和信号返回路径包围的信号回路面积远远大于LBS-EBG结构下的信号回路面积，CBS-EBG结构将导致比LBS-EBG结构更加严重的信号完整性问题。

图5 传输参数仿真对比

图6 CBS-EBG结构与仿真对比

图7 传输参数实测结果对比

图8 CBS-EBG结构与实测对比

图9 两种结构下信号回路示意图

图10 4层PCB结构模型

与仿真结果相对应的实测结果对比如图12所示，其中，与仿真模型相比，由于实际的PCB模型中多出两个连接信号线与SMA接头的过孔，导致高频段信号线传输性能的退化较严重，但通过与局部LBS-EBG结构下信号传输特性的对比可以得出，在局部拓扑下，CBS-EBG结构可以实现与LBS- EBG结构相近的信号完整性。

为了直观地观察局部拓扑CBS-EBG结构下信号的质量，使用Ansoft Designer软件进行信号眼图的仿真分析，在4层PCB仿真模型的端口1处添加27-1伪随机二进位序列源，在端口2处观察信号传输质量。伪随机序列源的中心频率为3 GHz，信号上升时间及下降时间均为120 ps，信号摆幅为500 mV。各模型下传输线的信号仿真眼图如图13所示，其中，图13(a)为参考平面为完整平面时单端信号眼图；图13(b)为参考平面为CBS-EBG结构矩阵时单端信号眼图；图13(c)为参考平面为局部拓扑CBS- EBG并采用保持信号参考平面连续的布线策略时单端信号的眼图。仿真结果的眼图参数对比如表2所示，结果显示：相较于以完整平面为参考平面，当单端信号以CBS-EBG结构矩阵为参考平面时，信号眼高(Maximum Eye Open, MEO)由423 mV下降至150 mV，眼宽(Maximum Eye Width, MEW)由326 mV下降至283 mV，信号眼高和眼宽分别退化64.5%和13.2%，信号质量退化严重，说明当单端信号以CBS-EBG结构为参考平面时存在严重的信号完整性问题；当采用局部拓扑并选择保持传输线参考平面连续的布线策略时，单端信号眼高为365 mV，眼宽为321 mV，与完整平面信号眼图相比，眼高和眼宽的降低程度分别为13.7%和1.5%，表明当使用局部拓扑并采用适当的走线策略时，能够明显改善该结构的信号传输质量，局部CBS-EBG结构可以实现较好的信号完整性。

图11 传输线传输特性参数仿真

图12 传输线传输特性参数实测对比

表2信号仿真眼图参数对比

模型说明眼高MEO(mV)眼宽MEW(mV) 参考平面信号类型 完整平面单端信号423326 CBS-EBG单端信号150283 局部CBS-EBG单端信号365321

图14 局部拓扑下CBS-EBG结构

5 结论

本文通过设计C-型桥接连线并在桥接连线与金属贴片的连接处增加狭缝，提出了CBS-EBG结构。实测结果显示，该结构在抑制深度为−40 dB时，阻带范围为296 MHz-15 GHz，在实现较宽阻带宽度的同时，有效降低了阻带中心频率，增强了EBG结构低频段SSN抑制能力。同时，针对CBS-EBG结构带来的SI问题，研究了局部拓扑下的信号传输特性。结果表明，当采用局部拓扑并选择适当的走线策略时，该结构在保持良好的SSN抑制性能的同时，能够实现较好的信号完整性。

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陈 朋： 男，1981年生，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为高速系统设计与信号完整性.

汝 岩： 男，1986年生，硕士生，研究方向为高速电路电源完整性与信号完整性.

廖立科： 男，1991年生，硕士生，研究方向为嵌入式系统设计与 信号完整性.

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

陈朋 chenpeng@zjut.edu.cn

2013-12-23收到，2014-03-12改回

国家自然科学基金(61303139)资助课题