抑制同步开关噪声的新型电磁带隙电源平面

张光硕,路宏敏,谭康伯,官 乔,肖骏飞

(西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安 710071)

抑制同步开关噪声的新型电磁带隙电源平面

张光硕,路宏敏,谭康伯,官 乔,肖骏飞

(西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安 710071)

针对印刷电路板中电源平面与接地平面间的同步开关噪声抑制问题,提出了一种新型的超宽带二维电磁带隙电源平面.新型电磁带隙电源平面的阻带带隙抑制深度为-30 dB,阻带宽度为11.14 GHz,下限截止频率为0.28 GHz,其同步开关噪声抑制特性的测量结果与仿真结果吻合良好.与同参数的L-bridged电磁带隙结构比较,新型电磁带隙结构的阻带带宽增加约48.7%,下限截止频率降低0.46 GHz.当采用差分线对传输信号时,新型电磁带隙电源平面对信号的完整性影响较小,有助于改善高速数字电路系统的电磁兼容性.

同步开关噪声;电磁带隙;印刷电路板;电磁兼容

近年来具有高速微处理器、存贮器件、射频电路和模拟传感器的混合信号系统,常常集成于单块多层印刷电路板上,因此,抑制印刷电路板电源平面和地平面上的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,SSN)引起国内外学者的兴趣和关注[1],一方面,数字开关器件产生的同步开关噪声,通过电源平面或地平面传播,显著降低了系统性能,从而降低了噪声容限和敏感性[2];另一方面,数字器件工作频率和数据率的日益提高,导致同步开关噪声的频谱范围从兆赫兹扩展到吉赫兹[3].因此,探索抑制混合信号系统宽带SSN的新方法,对于印刷电路板的电源完整性、信号完整性和电磁兼容性设计具有重要应用价值.

先前的研究表明,印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)电源平面与地平面间跨接分立去耦电容器是抑制SSN的一种有效方法,然而去耦电容器的寄生引线电感和电阻,限制了分立去耦电容器抑制高频SSN的频率上限为数百兆赫兹[1].为克服分立去耦电容器的固有局限性,引入了电源岛、分割电源平面等方法以降低SSN.这些方法是降低SSN的简单有效方法,呈现出窄带抑制带宽和不适应吉赫兹频率范围的缺陷[1-4].为实现吉赫兹频率范围内抑制SSN,提出了应用电磁带隙(Electromagnetic Band Gap,EBG)结构抑制SSN的各种方法[3-9],新近也有学者提出了一些改进方法[10-11].然而,现有抑制SSN的各种EBG结构,不能满足兆赫兹带宽的深度SSN抑制.为此,笔者提出了一种覆盖兆赫兹频率范围的宽带新型EBG结构电源平面,以抑制SSN同时适应信号完整性的要求.

1　新型EBG电源平面设计

平面型EBG结构中的周期性单元的谐振效应能够产生一定的阻带抑制带隙[4],为此可对平面型EBG结构进行设计,使其等效的LC电路在特定的频率范围内发生谐振,利用谐振中心频率附近等效阻抗接近无限的特性,抑制电源平面上电磁波的传播.阻带带隙的相对带宽和中心频率是由以下两个公式中的等效电容和等效电感确定[12]的,即

式(1)显示,减小阻带带隙的中心频率,以降低下限截止频率的应用目标,可通过增加等效电容和等效电感的方法实现.阻带带隙相对带宽的式(2)显示,等效电感的增加和等效电容的减少,可拓宽阻带带隙的带宽.综合考虑可见,增加EBG结构等效电感和等效电容的同时,使得电感的增量相比电容的增量增加较多,就可设计出抑制SSN的宽带且下限截止频率低的EBG结构,从而达到有效消除模数混合信号电路中电源平面和接地平面之间存在的SSN.然而,在实际应用中,必须同时考虑EBG电源平面对信号完整性的影响问题.

新型EBG单元构造如图1所示,相应的几何参数a1=30.0 mm,a2=7.2 mm,a3=7.2 mm,枝节长度l1=4.05 mm,l2=15.3 mm,l3=27.0 mm,枝节宽度w1=0.2 mm,w2=0.2 mm,w3=0.5 mm,缝隙宽度g1=0.2 mm,g2=0.2 mm.图2给出了相邻EBG单元构造的新型EBG结构,即电磁带隙电源平面.当激励端加载激励信号时,电流会从一个结构单元流向另外一个结构单元,连接结构单元的金属枝节是单元间连接的主要通路.该金属枝节具有较长的有效长度,其等效的LC电路会具有较大的有效电感值.根据阻带带隙的相对带宽和中心频率的确定公式可以知道,相对较大的有效电感值可使该LC电路在发生谐振时具有较低的下限截止频率和较宽的阻带抑制宽度.同时,构建EBG的过程中对电源平面完整性的影响不大,采用该EBG结构作为电源平面,不会对信号完整性造成太大的影响.

图2　新型EBG结构

2　新型EBG电源平面的抑制特性分析

为了研究新型EBG结构抑制SSN的性能,文中采用Ansoft HFSS软件设计了一个尺寸为90.0 mm× 90.0 mm×0.4 mm的3×3阵列EBG结构,作为电磁带隙电源平面,地平面为连续完整的金属板,如图3所示.电源平面和地平面之间采用FR-4的介质材料,该材料的损耗角正切是0.02,介电常数为4.4.将坐标原点设置在整个结构的左下角,输入端口采用50Ω标准同轴激励,输入端口1设置在(45.0 mm,45.0 mm,0.4 mm)的位置,输出端口2设置在(75.0 mm,45.0 mm,0.4 mm)的位置,输出端口3设置在(75.0 mm,15.0 mm,0.4 mm)的位置.

采用图3的电磁仿真结构,分析新型EBG电源平面、完整金属电源平面和L-bridged EBG电源平面[5]抑制SSN的特性,且以国际公认数值-30 d B定义阻带带隙抑制深度.上述3种不同电源平面S21仿真结果如图4所示,从仿真结果可以看出,新型EBG结构电源平面的下限截止频率为0.27 GHz,上限可延伸至20.00 GHz,阻带带隙宽度达19.73 GHz;L-bridged EBG电源平面的下限截止频率为0.74 GHz,上限截止频率为4.75 GHz,阻带带隙宽度为4.01 GHz;完整金属电源平面则没有明显的阻带带隙,不具备抑制模拟数字混合信号电路中电源平面和接地平面之间的SSN的能力.

图3　3×3的阵列单元立体图

图4　不同电源平面S21仿真结果对比

电磁带隙结构的阻带带隙中心频率和相对带宽的计算公式[6]为

由上述两个公式和仿真结果可计算出新型EBG结构的中心频率为10.135 GHz,相对阻带带宽可达194.7%.而L-bridged EBG结构的中心频率为2.745 GHz,相对阻带带宽为146%.与L-bridged EBG结构比较,新型EBG结构阻带带隙的下限截止频率降低了0.470 GHz,相对阻带带宽增加了48.7%,具有更好的抑制SSN的特性.

图5为新型EBG结构的端口1到端口2的传输系数S21与端口1到端口3的传输系数S31的对比,从图5可以看出,在0.27～11.34 GHz的频率范围,基本保持-30 dB的阻带带隙抑制深度.表明新型EBG结构在该频率范围内具有电源平面上各向同性抑制模数混合信号电路中SSN的能力.

图5　新型EBG结构S21和S31仿真结果

图6　新型EBG结构电源平面的实物照片

3　新型EBG电源平面抑制特性实测

为验证新型EBG电源平面抑制SSN的有效性,委托某研究所基于现有的印制电路板加工工艺,根据电磁仿真结构尺寸和相关参数,采用双层印制电路板制作了新型EBG电源平面实物,如图6所示.

该电路板的一面蚀刻成新型EBG结构电源平面,另一面则采用连续完整的金属面作为地平面,激励端口采用50Ω的SMA接头,使用安捷伦N5230a矢量网络分析仪进行测试,图7和图8分别为新型EBG结构S21及S31的仿真和实测结果.

图7　新型EBG结构S21仿真和实测结果

图8　新型EBG结构S31仿真和实测结果

从实际测量的结果可知,对于-30 dB的阻带带隙抑制深度,新型EBG结构的S21下限截止频率为0.28 GHz,上限截止频率为11.42 GHz,阻带宽度为11.14 GHz;而新型EBG结构的S31的下限截止频率为0.34 GHz,上限截止频率为11.38 GHz,阻带宽度为11.04 GHz.从图7和图8可看出,新型EBG结构的传输系数实测结果与仿真结果基本保持一致,表明了采用这种EBG结构,能够有效抑制模数信号混合电路中电源平面或地平面的SSN.

4　新型EBG电源平面的信号完整性分析

完整电源平面被蚀刻成EBG结构,会造成信号完整性的降低[13],影响信号传输质量.为验证新型EBG电源平面的信号完整性,如同参考文献[13],基于实际PCB工艺设计了一个4层的PCB,该电路板的侧视图如图9所示,各层之间的间距为0.5 mm,信号传输线的特性阻抗为50Ω,线宽为1 mm.在该PCB中最上层和最下层为信号层,而中间两层中一层为EBG结构层,另一层为接地层,传输线中的信号最开始沿着顶层传播,经过通孔后到达最下层,再经过第2个通孔返回最上层.

图9　信号完整性仿真侧视图

图10　采用单根信号线的完整电源平面眼图

图11　采用单根信号线的新型电磁带隙结构电源平面眼图

图12　采用差分信号线的新型电磁带隙电源平面眼图

采用Ansoft Designer软件对新型电磁带隙电源平面对信号的影响进行仿真分析,在端口1处输入一串27-1伪随机比特序列,端口2负责接收信号.比特序列信号源的中心频率为3 GHz,上升沿及下降沿时间均设为120 ps,高低电平之间的电位差值为500 m V.完整电源平面和新型EBG电源平面的眼图仿真结果如图10和图11所示.

衡量信号完整性好坏的两个重要参数分别为最大眼睛张开(Maximum Eye Open,MEO)和最大眼睛展宽(Maximum Eye Width,MEW).从仿真结果可得出,完整电源平面的最大眼睛张开值为414 m V,最大眼睛宽度值为381 ps.新型EBG电源平面的最大眼睛张开为329 m V,最大眼睛宽度为362 ps.与完整电源平面相比,采用单根信号线的新型EBG电源平面,MEO和MEW分别降低了20.5%和5.0%.由此可见,采用新型EBG电源平面抑制SSN的同时,若采用单根传输线传输信号容易造成较大的码间干扰,信号完整性降低明显.

为改善新型EBG电源平面的信号完整性,在同样的PCB上采用差分线对传输信号,差分线对的特性阻抗设置为100Ω,线宽为0.5 mm,差分线对间距设置为0.25 mm.图12为采用差分线对传输信号时的新型EBG电源平面信号完整性眼图,最大眼睛张开为406 m V,最大眼睛宽度为380 ps,相比于完整电源平面,新型EBG电源平面的MEO和MEW降低幅度分别为1.9%和0.2%.可见,在将完整电源平面蚀刻成EBG结构来抑制SSN时,采用差分线对传输信号不会对信号完整性带来明显的影响.表1为3种情况下眼图质量的对比.

表1　3种情况下眼图质量对比

5　结束语

笔者提出了一种阻带带隙抑制深度为-30 dB、阻带宽度为11.14 GHz、下限截止频率为0.28 GHz,抑制SSN的新型EBG电源平面.抑制SSN特性的仿真结果与实测结果相吻合.与传统的L-bridged EBG电源平面相比,新型EBG电源平面的相对带宽扩展了约48.7%,下限截止频率下降了0.47 GHz.当采用差分线对传输信号时,新型EBG电源平面对信号的完整性影响较小.

[1]WU T L,CHUANG H H,WANG T K.Overview of Power Integrity Solutions on Package and PCB:Decoupling and EBG Isolation[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2010,52(2):346-356.

[2]KIM S G,KIM H,KANG H D,et al.Modeling and Analysis of a Conventional and Localized Electromagnetic Band-gap Structures for Suppression of Simultaneous Switching Noise[J].Microwave and Optical Technology Letters,2012,54 (7):1571-1577.

[3]KIM M,KOO K,SHIM Y,et al.Vertical Stepped Impedance EBG(VSI-EBG)Structure for Wideband Suppression of Simultaneous Switching Noise in Multilayer PCBs[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2013,55 (2):307-314.

[4]Kamgaing T,Ramahi O M.A Novel Power Plane with Integrated Simultaneous Switching Noise Mitigation Capability Using High Impedance Surface[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2003,13(1):21-23.

[5]WU T L,WANG C C,LIN Y H,et al.A Novel Power Plane with Super-wideband Elimination of Ground Bounce Noise on High Speed Circuits[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2005,15(3):174-176.

[6]WU T L,LIN Y H,WANG T K,et al.Electromagnetic Bandgap Power/Ground Planes for Wideband Suppression of Ground Bounce Noise and Radiated Emission in High-speed Circuits[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(9):2935-2942.

[7]LU H M,ZHAO J X,YU Z Y.Design and Analysis of a Novel Electromagnetic Band-gap Structure for Suppressing Simultaneous Switching Noise[J].Progress in Electromagnetics Research C,2012,30:81-91.

[8]路宏敏,余志勇,赵益民,等.一种具有新颖电磁带隙结构的印刷电路板电源平面[J].西安电子科技大学学报,2011,38(3):20-23. LU Hongmin,YU Zhiyong,ZHAO Yimin,et al.Power Plan of the Printed Circuit Board with Novel Electromagnetic Bandgap Structures[J].Journal of Xidian University,2011,38(3):20-23.

[9]路宏敏,郭雁林,卫晶,等.抑制同步开关噪声的新型超宽带电磁带隙结构[J].北京邮电大学学报,2012,35(4): 15-18. LU Hongmin,GUO Yanlin,WEI Jing,et al.New Ultra-wideband Electromagnetic Bandgap Structure Used for Simultaneous Switching Noise Suppression[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2012,35 (4):15-18.

[10]SADR A,MASOUMI N.Lower Cutoff Frequency Improvement of Planar EBG-patterned PDN Using Edge Termination [J].Electronics Letters,2015,51(16):1270-1272.

[11]SHI L F,ZHOU D L.Selectively Embedded Electromagnetic Bandgap Structure for Suppression of Simultaneous Switching Noise[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2014,56(6):1370-1376.

[12]SIEVENPIPER D,ZHANG L J,BROAS R F J,et al.High-impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1999,47(11):2059-2074.

[13]QIN J,RAMAHI O M,GRANATSTEIN V.Novel Planar Electromagnetic Bandgap Structures for Mitigation of Switching Noise and EMI Reduction in High-speed Circuits[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2007,49(3):661-669.

(编辑:齐淑娟)

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 网络出版时间:2015-12-10

国家部委预研基金资助项目(9140xxxxxxx)

张光硕(1990-),男,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:guangshuozhang@foxmail.com.

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151210.1529.020.html