高速电路中电源/地平面间同步开关噪声的抑制研究

熊 祥，胡玉生

(集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

半导体制造工艺的提高使当前高速电路朝着多功能、高密度、低功耗、高性能及小型化的方向快速发展。然而，电路的高集成度必将产生更多的同步开关噪声(Simultaneously Switching Noises，SSN)。由于SSN的高频谐波分量可以激发电源/地平面间谐振，进而导致高速电路产生严重的信号完整性(Signal Integrity，SI)和电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)问题[1-2]。

在电源/地平面间添加去藕电容[3-4]、嵌入式电容[5]，从而为噪声电流提供一条低阻抗电流返回路径，这是减轻电源/地平面间谐振的常用方法；然而由于电容的寄生效应使其作用的有效频段一般低于1GHz。电源平面分割技术或者电源岛技术[6-7]也是抑制SSN的一种常见方式，其主要思想是通过切断噪声源与噪声敏感电路的传播路径，从而减轻噪声敏感电路的SSN，在低频段噪声隔离效果较为明显，但高频段由于电源/地平面间谐振，在电源平面分割间隙处会发生严重的噪声耦合现象。在高速PCB中运用蘑菇形EBG结构[8-9]也能起到抑制SSN的作用，但蘑菇形EBG结构制造工艺较为复杂，并且在PCB电源/地平面间大量布置蘑菇形EBG结构会增大PCB板的封装尺寸不利于高速数字系统的小型化。在电源平面上周期性蚀刻共面型EBG结构单元[10-11]也可抑制SSN在电源/地平面间传播，但在电源平面大量蚀刻周期性单元会引起信号电流返回路径阻抗不连续进而导致严重的SI问题。

用于PCB板中的介质型EBG结构[12-14]是指在电源/地平面间介质层中周期性地排布高介电常数的介质柱材料，其可以实现在某一频率范围内阻碍SSN向电路板四周传播。但目前使用介质型EBG抑制SSN在PCB板间传播依旧存在噪声抑制的低频特性不好，噪声抑制宽度不够的缺点。鉴于电源平面分割技术在抑制SSN中所具有的优良低频特性，本文提出将电源平面分割与介质型EBG结构相结合用于抑制SSN传播的技术，以改善介质型EBG结构抑制SSN低频特性的缺点，从而实现宽频带抑制SSN。

1 分割电源平面对SSN的抑制分析

高速电路中，电源/地平面通常被置于多层PCB介质层中，以便为高速信号提供电流返回路径或为有源器件提供必要供电电压。如图1所示，电源平面被分割成长为a，宽为b的两电源岛结构，分割间隙为w0，忽略介质上敷铜层厚度，则电源/地平面层间介质厚度为t，电源/地平面层间介质相对介电常数为εr。假设端口1所在电源岛视为噪声激励源，端口2所在电源岛视为噪声敏感电路，利用电源平面分割技术可将噪声源与噪声敏感电路分开以达到隔离SSN的目的。

在低频段，可将电源平面分割结构等效为如图2所示的π型电路网络，其中Cd代表每个分割单元的对地电容，Cg为间隙电容，Lint为电感，Rs为电阻。由于分割间隙的存在，使得SSN不能顺利向端口2所在的电源岛传播，进而实现了对SSN的有效隔离。但在高频段，由于SSN的高频谐波分量可以激发电源平面分割结构产生谐振，在电源平面分割的间隙处会产生严重的噪声耦合，使其失去隔离SSN的作用。

对于图1所示尺寸为a×b的电源岛结构，其谐振频率[1,6-7]为：

(1)

其中：μ、ε分别为电源/地平面层间介质的磁导率和介电常数；m、n对应于电源岛谐振模式。

2 介质型EBG与电源平面分割技术相结合对SSN的抑制作用

图3为本文提出的用于抑制电源/地平面间SSN的介质型EBG结构的三维结构图。其中：上表面为电源平面，下表面为地平面，两电源岛长a=50 mm，宽b=49.5 mm，电源平面的分割间隙w0=1 mm，端口1、2分别位于(25 mm，20 mm)、(25 mm，80 mm)处，以FR4作为层间介质基板(其相对介电常数εr=4.4)，介质损耗tanδ=0.02，层间介质基板厚度t=0.8 mm。通过HFSS对介质型EBG结构进行参数优化，选定介质柱相对介电常数εd=850、介质柱高度h=t=0.8 mm、介质柱半径r=2 mm，并且介质柱以5×10、间隔距离d=10 mm的方式均匀排布在电源/地平面介质基板中。

利用HFSS建立图3所示的三维电磁仿真模型，并对其在电源平面和地平面分别施加电壁边界条件，在PCB板四周壁施加磁壁边界条件。将端口1设置为50 Ω同轴激励端口，端口2设置为50 Ω同轴匹配端口，采用集总方式对端口进行激励，将步长设置成50 MHz，在0.01～6 GHz频率范围内对所建三维仿真模型进行离散扫频分析。对于图1所示的电源岛结构，利用式(1)可以得到采用电源平面分割技术隔离SSN的参考板所对应的前两阶谐振点fTM10、fTM20分别为1.43 GHz和2.86 GHz。若将端口1与端口2之间的插入损耗S21低于-40 dB认定噪声隔离效果良好，从图4可以看出参考板在0.01～1.16 GHz内噪声抑制效果表现良好，但随着频率的上升参考板将发生谐振，于是在高频段参考板的噪声抑制效果表现不佳。之后保持参考板的三维结构参数不变，将介质型EBG结构与电源平面分割技术相结合用于抑制高速电路电源/地平面间SSN的传播(即如图3所示的三维电磁模型)，不仅可以保持介质型EBG结构在高频段宽频带对SSN的抑制特性，并且还可以克服介质型EBG结构抑制SSN低频特性的缺点。从图4可知，相较于参考板本文所提方法可使PCB板的前两阶谐振点，即fTM10、fTM20处的S21分别降低98 dB和88 dB，并在0.01～0.66 GHz 与0.91～4.11 GHz频段范围内对SSN实现有效抑制。

为验证本文所提方法在抑制SSN的全方向性，如图5所示，分析了在噪声敏感电路中处于不同接收端口处的插入损耗。图5中，S31的噪声激励端口1位置保持不变，噪声接收的端口3位于(10 mm，80 mm)处。从图5可以看出，在0.01～6 GHz范围内插入损耗S21和S31变化趋势基本保持一致，噪声抑制带宽基本保持不变，因此电源/地平面间SSN抑制的全方向性得到了验证。

3 信号完整性分析

如图6所示，在HFSS建立了以分割电源平面为参考平面的单端微带信号线的三层印刷电路板的三维电路模型。其中，信号层与电源层间及电源层与地层间均采用厚度为0.8 mm的FR4作为层间介质基板，其相对介电常数εr=4.4，介质损耗tanδ=0.02，介质型EBG结构的形状和位置参数与图3一致。将端口1与端口2分别设置为50 Ω，为实现阻抗匹配降低信号的反射把信号层中的单端微带线阻抗设置成50 Ω，信号线的走线宽度w=1.5 mm。以端口1作为信号激励端口，端口2作为信号接收端口，采用集总方式对端口进行激励，以50 MHz为步长，在0.01～6 GHz频率范围内对图6所示三维电路模型进行离散扫频分析。

对于单端微带信号线，端口1的返回损耗S11通常用于评价高速信号传输过程中信号所产生的反射情况，而端口2对端口1的插入损耗S21通常用于评价信号的传输质量。如图7所示，分析了电源平面分割技术在介质基底中只含有FR4的参考板，以及在FR4介质基底中周期性布置相对介电常数εd=850的介质型EBG结构的单端微带信号传输线的信号传输质量的情形。通常认为信号传输线的S21大于-3 dB或S11小于-20dB表征信号传输质量良好。从图7中可以看出，相较于工作频率在0.01～6 GHz范围内的参考板，在电源/地平面介质基底内周期性布置相对介电常数为εd=850的介质型EBG结构，在实现对SSN抑制的同时可以有效缓解信号传输质量带来的不利影响，维持较好的信号传输质量。并且由图7b)可以看出，当参考板的工作频率在1.2 GHz左右时，微带线的信号电流返回路径阻抗不连续使高速信号产生了较大的反射，其信号传输质量已经明显下降，故在此时高速电路已经产生了明显的信号完整性问题。然而相对于在电源/地平面间周期性布置相对介电常数εd=850的介质型EBG结构，其单端微带信号的插入损耗在某些频点虽有小幅波动，但在0.01～4.46 GHz范围内单端微带信号线的插入损耗均大于-3 dB，因此该频率范围内单端微带信号线可以保持较好的信号传输质量。

4 结论

本文提出了一种将介质型EBG结构与电源平面分割技术相结合用于抑制高速电路电源/地平面间SSN传播的新方法。利用三维全波电磁仿真软件HFSS建立了相应的仿真模型，仿真结果表明本方法不仅在0.01～0.66 GHz与0.91～4.11 GHz范围内实现对SSN的宽频带抑制，还能改善用于抑制电源/地平面间SSN传播的介质型EBG结构的低频工作特性。对以分割电源平面为参考平面的单端微带线的信号传输特性进行了分析，发现在0.01～4.46 GHz范围内，单端微带信号线的S11均小于-20 dB，S21均大于-3 dB。故本方法能保证高速电路信号传输质量良好的情形下，实现对电源/地平面间SSN的有效抑制。