应用S型桥接电磁带隙结构抑制同步开关噪声研究

刘永勤

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

随着数字系统对高频率、低电压的需求，信号完整性和电磁干扰问题已成为系统设计时最为关注的问题，特别是宽频率范围的同步开关噪声对系统的可靠工作带来很多问题.电源分配网络的作用有三个：保持芯片焊盘前后电压的恒定，使地弹最小化，使EMI问题最小化.电源分配网络互连通常是最大的导电结构，携带最大的电流，而且也会携带高频噪声，所以它们可能会产生最多辐射并无法通过电磁兼容的测试认证［1］.如果能正确设计电源分配网络互连，则可以减少很多潜在的电磁干扰问题，并有利于电磁干扰测试认证成功［2］.在高速高密度的互连系统中，同步开关噪声非常严重，如果不能有效的管理，会严重影响整个系统的正常工作.

抑制同步开关噪声最有效的方法就是从根本上抑制它的产生，由于集成系统是利用晶体管来获得功能的，因此，几乎不可能阻止同步开关噪声的产生，但可以在它的传播过程中采取各种措施将其抑制掉［3－4］.本文主要研究应用电磁带隙结构(PDN)来抑制同步开关噪声(SSN)的方法.

1 S型桥接电磁带隙结构设计

图1 S型桥接EBG结构

如图1所示，S桥接EBG电源平面由3×3个单元块组成，是在FR－4基板上实现的90mm×90mm×0.4mm的结构.其中两个单元块的结构如图2所示，相邻的两个邻接元通过S桥型互连，但地平面没有改变.单元块的结构参数(w=0.2mm，s=0.2mm，c=5mm，a1=11.8mm，a2=12.2mm，g=1mm).其中 w 和 s值保持相同，其他参数都是基于低寄生电容的最大电感设计.测量平面的三个端口分别位于(45mm，45mm)，(15mm，75mm)和(15mm，45mm)，在PCB板的左上角位置.这些端口包括过孔和焊盘，用来连接电源和地平面上的测量探针.

图2 相邻两个S型桥接EBG单元

2 S型桥接EBG结构抑制SSN分析

以下将提出的S型桥接EBG电源平面与传统的平行板平面以及L型EBG平面［5］进行比较.图3得到了利用有限元法测得的端口1和端口2之间的S参数，除了在频率5GHz以上时FR－4基板介电常数变得分散，其他情况下是一致的，该S桥型EBG电源平面呈现了很宽的带宽，插入损耗在－30 dB时的频率范围从220MHz到7GHz.SSN传播的方向被证实在S21和S31之间几乎是全方位的.

相对于传统的L型EBG结构，S型桥接EBG结构可以抑制更低频率(220MHz)的SSN.该结构对低频率的抑制性能与电源平面等效电感有关.由于同步开关噪声大部分在低于1GHz以下，因此，抑制SSN噪声的低频部分比高频部分更有意义.

低于200MHz时，S型桥接EBG结构的插入损耗比平行板结构的插入损耗低，该插入损耗来自S桥接EBG结构的电感和块电容之间的共振效应.所有的EBG电源平面固有的谐振可以通过采用额外的去耦电容器减小，同时减少了去耦电容的数目.在200MHz以上的EBG谐振大多是由L型桥接EBG结构引起的，但是，这很难通过去耦电容器有限的自谐振频率来消除.

EBG电源平面上的各种狭缝和穿孔也影响信号线的返回电流路径，随之而来的是这些EBG电源平面不可避免的信号完整性问题.在电源平面上局部应用EBG结构可用于板级设计，针电容桥接电流返回路径可以用来改善信号完整性而无需重新设计电路板.

图3 平行板、L型桥接EBG及S型桥接EBG电源平面的S参数对比

3 结语

在相同电容的情况下，EBG电源平面具有较高的电感，S型桥接EBG结构将单元块串联，因此有很高的等效串联电感，这样可提高抑制SSN的带宽.本文提出的S型桥接EBG结构可在220MHz到7GHz频率范围内将SSN噪声抑制在－30dB以下.而且，它对SSN的低频抑制能力也明显提高，通过此结构可减少本地去耦电容器的数目.此外还发现，大多数EBG电源平面可能出现的信号完整性问题，可通过补充电容来改进.

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