一款紧凑增强型可变阻抗电磁带隙结构

曾秋云

(西安电子科技大学 CAD研究所,陕西 西安 710071)

一款紧凑增强型可变阻抗电磁带隙结构

曾秋云

(西安电子科技大学 CAD研究所,陕西 西安 710071)

基于传统AI-EBG结构,提出了一种小尺寸的增强型电磁带隙结构,实现了从0.5～9.4 GHz的宽频带-40 dB噪声抑制深度,且下截止频率减少到数百MHz,可有效抑制多层PCB板间地弹噪声。文中同时研究了EBG结构在高速电路应用时的信号完整性问题,使用差分信号方案可改善信号完整性。

地弹噪声;高速电路;AI-EBG;信号完整性

高速高密度电子系统中,不断增加的时钟频率及边沿跳变率,以及持续减小的供电电压与电压容限,使得电源和地平面层之间产生的地弹噪声给高性能系统设计带来挑战,成为高性能系统设计中日益关注的主要问题之一。这种噪声会导致数字电路中错误的逻辑切换以及模拟电路中功能失效,最终导致整个系统功能错乱[1]。所以,近年来,电源分配网络(PDN)中地弹噪声的抑制成为高速电子系统设计中日益关注的难点。

当前,有多种技术被广泛用于减少这种噪声,如去耦电容,嵌入式电容,分割的电源平面等。去耦电容由于存在引线寄生电感,仅可在数百MHz以下频率发挥作用。嵌入式去耦电容因寄生电感小,可在更高频率工作,但因成本与技术成熟限制,使用范围受限。分割的电源平面的间隙可以阻挡部分电磁波的传播,但由于耦合效应,分割平面对高频电磁波的隔离作用明显减弱。

电磁带隙(EBG)结构,显示出了在GHz以上频率范围优良的噪声抑制特性,在这一频率范围,常用的如去耦电容等方法都将失效。其中,AI-EBG(可调阻抗电磁带隙结构),有着优良的地弹噪声抑制特性[2]。然而,阻带下截止频率较高,分布在1 GHz以上,无法覆盖数百MHz的频率范围,然而,对特定系统应用,地弹噪声能量频谱却主要分布在数百MHz的频率带内。

本文提出一种基于传统AI-EBG结构的新型的小尺寸增强型EBG结构,这种新型结构提供了低至-40 dB的噪声抑制水平,噪声抑制带宽为9 GHz,从400 MHz～9.4 GHz,解决了AI-EBG设计中下截止频率较高的缺点。

1 AI-EBG结构原理

图1(a)为AI-EBG电源/地平面对的设计。它是一种由金属、介质组合而成的电磁带隙结构,包含由薄FR4介质材料隔开的两个金属平面层。电源平面上设计了3×3的EBG单元结构阵列。AI-EBG的单元结构由正方形的金属贴片和两个连接金属臂两部分组成。如图1(b)所示,单元结构相应几何参数的分别表示为(a,b,c),其中a是正方形贴片的长度,b是连接臂宽度,c是连接臂的长度,可知EBG单元结构的周期为a+c。相比传统结构,仅在EBG平面增加了狭缝,没有对叠层结构进行改动,从PCB制作工艺角度来说,并没有带来难度,成本也不会增加。

图1 AI-EBG结构

由于金属连接臂与相应参考平面体现的高特征阻抗,和正方形金属贴片及相应参考平面之间的低特征阻抗表现出的周期性阻抗摄动,电磁波(TEM)在传播过程中,有些频带受到阻止,而其他频带则可以正常传播[3]。

简化的低阶集总电路等效模型如图2所示,Lpatch是金属贴片及下方介质、参考平面引入的电感,Cpatch则是金属贴片的电容。Lbranch是金属连接臂引入的电感,Cbranch是金属连接臂引入的电容。Cgap是相邻EBG单元结构之间的间隙耦合效应的等效电容。Cbranch非常小,可以忽略不计,因为金属连接臂的尺寸相对金属贴片而言很小。

图2 AI-EBG单元结构简化集总电路等效模型

因此,该EBG结构的等效电路可以进一步简化,可认为是由电感电容组成的分立的LC网络,类似一个低通滤波器。因此,AI-EBG结构的下截止频率为

(1)

截止频率定义为第一个阻带开始出现时的频率。考虑到高阶效应以及高频时的分布式效应,频率较高时,EBG周期结构等效为一个带阻滤波器。相对带宽与Lbranch的平方根成正比而与Cpatch的平方根成反比,结构式为

(2)

由上式可知,增加Lbranch的值,不但可以降低下截止频率,还可以扩展相应的有效带宽。

2 增强型AI-EBG结构设计

基于传统的AI-EBG构造中,设计了增强型的3×3的单元结构阵列的AI-EBG电源/地平面结构,如图3(a)所示。EBG单元结构如图3(b)所示,介质材料为FR4,相对介电常数4.4,损耗角正切为0.02,金属平面材料为铜,厚度为0.035mm。与传统AI-EBG相比,新型EBG构造的关键特征在于,EBG电源平面蚀刻增加了两条狭缝,从而引入了两个长而窄的L形的连接臂,增大了相邻EBG方形贴片之间的连接电感,由式(2)可知,其可获得更低的下截止频率。

图3 增强型EBG结构

相应的参数a,b,c所代表的意义与AI-EBG类似,而d和e表示为连接臂和狭缝的尺寸。本文设计中,a=15.2 mm,b=0.3 mm,c=0.25 mm,d=0.3 mm,e=0.25 mm。3个端口port1～port3分别位于(23.05 mm,23.05 mm),(38.5 mm,38.5 mm)和(7.6 mm,23.05 mm),用于HFSS全波仿真插入损耗,如图3(a)所示。

3 地弹噪声抑制性能

EBG构造的抑制地弹噪声性能可以由跨越数个EBG单元结构的两个端口之间的S参数表征。

图4显示了位于增强型AI-EBG端口1和端口2之间的插入损耗S21,结果由HFSS软件仿真所得,两个参考板:电源和地平面保持完整的平面对,上文提到的具有相同尺寸结构的传统AI-EBG结构的插入损耗S21同样在图中显示,以供比较。在这3种情况下,集总端口的坐标位置相同。

图4 插入损耗S21比较

从仿真结果可以看出,与电/地平面完整的参考板及传统AI-EBG结构相比,本文提出的新型增强型AI-EBG结构的噪声抑制带宽约为9.1 GHz,覆盖了400 MHz～9.5 GHz宽频带范围,噪声抑制带宽定义为S21低于-40 dB的频率带。新型电磁带隙结构的下截止频率由传统AI-EBG结构的1.94 GHz下降至400 MHz,下截止频率的明显降低得益于所提出新型增强型EBG结构电源平面上L形连接臂引入的电感。对特定系统应用,地弹噪声大部分的能量谱分布在1 GHz以下频带,因此EBG结构用于地弹噪声抑制时,较低的下截止频率比扩展频率带宽及增大上截止频率有意义。

图5中显示了插入损耗系数S31、S21,以分析增强型AI-EBG结构的仿真端口位置对噪声抑制性能的影响,可以看出,所提EBG结构的噪声抑制性能并未因端口位置的差异而受到显著影响,只是位于中低频段的下截止频率有轻微的偏移。这意味着,所提出的低周期EBG电源层结构可以全面抑制位于电源分配网络中电源/地平面之间的地弹噪声。

图5 增强型AI-EBG不同端口位置处S21、S31比较

4 信号完整性问题

由于EBG结构要在平面上蚀刻周期性图案结构,从而平面上会有狭缝,无法保持完整,如果高速信号参考EBG平面,由于参考平面不完整,信号遇到的阻抗通常会发生较大波动与变化,信号质量将退化[4]。

电磁带隙结构对信号完整性的影响通常可以通时域仿真的眼图进行快速分析。仿真模型如图6所示,叠层结构由由往下,依次为信号层、EBG电源层、地平面层、信号层,电源平面设计3×4的EBG单元结构阵列,而地平面保持连续完整。一条长度为46 mm的单端信号走线,经过两个过孔,其信号线的参考平面由EBG结构电源平面切换到地平面后再切换至EBG结构电源平面。

图6 单端线信号完整性仿真模型

信号走线的阻抗为50 Ω,信号线宽度为0.4 mm,介质材料为FR4,厚度为0.225 5 mm,其他参数与图示结构保持一致。

单端信号的S参数由全波电磁仿真软件HFSS计算,然后导入到Ansoft Designer中进行电路仿真,产生眼图。激励码率源为2.5 GHz,码型长度为27-1,不归零(NRZ)编码伪随机位序列源(PRBS)。激励源的电压摆幅与和边沿上升/下降时间分别为500 mV和120 ps,信号源注入端口1,信号沿着信号线传播,在端口2观测信号传输眼图。

图7分别显示了电源/地平面完整的参考板以及文中所提3×4阵列EBG电源平面结构的眼图。最大眼高(MEO)和最大眼宽(MEW)是眼图质量最简单的两个评价参数。

图7 眼图

对电源/地平面都保持连续的参考板:MEO=134.33 mV,而MEW=170.1 ps;文中所提出的EBG电源平面:MEO=228.33 mV,MEW=195.5 ps。由于电源平面引入EBG阵列,MEO与MEW的退化分别为41.16%和12.9%。

这表明,周期性的高阻抗电磁带隙表面破坏了原本相对完整的信号返回路径,导致阻抗周期性变化,信号受到干扰,信号质量显著恶化。

而为增大阻带带宽、降低下截止频率而增大连接臂电感的方法,导致回流路径中电感效应更明显,从而使信号质量更差。从EBG结构设计角度来说,要增大阻带带宽、降低下截止频率,最好的方法是增加连接臂以增加连接电感,但这必然导致信号回流遇到感性阻抗突变,因而信号完整性质量相对传统AI-EBG结构仿真板进一步变差,这是EBG设计中难以避免的。

为改善信号完整性问题,可以采取差分信令方案。图8(a)为采用差分信号线的模型,差分布线的差分阻抗被设计为100 Ω差分阻抗,每条信号线的宽度从0.5 mm减小至0.3 mm,且差分信号线之间的间距为0.25 mm。差分PRBS信号源的摆幅为250 mV,归一化的边沿上升/下降时间为100 ps。

差分信号模型的仿真结果眼图如图8(b)所示,MEO=232.03 mV,MEW=195.2 ps。采用差分信号能够大幅改善信号完整性质量。

图8 差分线方案

5 结束语

本文提出一种新型低周期增强型AI-EBG结构,可用于抑制超宽带GBN地弹噪声,它实现了400 MHz～9.5 GHz频段-40 dB的噪声抑制水平,克服了传统电磁带隙结构噪声抑制带宽有限和下截止频率较高的缺点。当信号走线参考不完整的EBG电源平面时,出现的信号完整性问题可以通过采用差分信号来改善。

[1] Patnam H R,Karunakaran S,Swaminathan M.A novel compact electromagnetic bandgap structure in power plane for wideband noise suppression and low radiation [C].Chennai,India:IEEE Xplore,Advanced Packaging and Systems Symposium,2008.

[2] Choi J,Swaminathan M.Noise isolation in mixed-signal systems using alternating impedance electromagnetic bandgap (AI-EBG) structure-based power distribution network (PDN)[J].IEEE Transactions on Advantage Packag,2010,33(1):2-12.

[3] Yan Zhaowen.A novel EBG structure with embedded mender bridge and its application on SI and PI[J].Electrical Review,2012,88(7):113-119.

[4] 吴琼硕,袁兴朝.高速信令[M].李玉山,初秀琴,路建民,译.北京:电子工业出版社,2014.

A Compact and Enhanced AI-EBG

ZENG Qiuyun

(Research Institute of Electronic CAD,Xidian University,Xi’an 710071,China)

A compact and enhanced electromagnetic band-gap(EBG) structure based on alternating impedance electromagnetic bandgap(AI-EBG) is proposed in this paper,which can provides -40 dB noise suppression performance from 0.4 GHz to 9.5 GHz for efficient and ultra-wide band suppression of the ground bounce noise in multilayer PCB.The paper discusses the problem of signal integrity when the EBG structure is applied in real high speed circuits.Differential signals can be used to obtain good signal integrity.

ground bound noise;high-speed circuits;AI-EBG structure;signal integrity

2014- 09- 14

曾秋云(1988—),男,硕士研究生。研究方向:信号完整性,电源完整性设计。E-mail:chizexin@sina.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.031

TN820.1

A

1007-7820(2015)04-116-04