抑制同步开关噪声的超带宽电磁带隙结构研究

0 引言

随着现代高速数字电路的发展，因为高时钟速率和低电压电平等原因，电源平面和地平面之间的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,SSN)变成人们最关心的问题之一。在印制电路板中当有些有源器件同时开关时，所产生的多种谐振模式会产生同步开关噪声，这会引起一系列诸如信号完整性和电磁兼容的问题。

由于在印刷电路板中系统的电磁兼容非常重要，电路设计者必须面对如何消除高速电路的SSN 这一问题。为了抑制SSN,人们已经提出了许多种方法，其中添加电源平面和接地平面之间的去耦电容是最常用的方法。

由于去耦电容中存在寄生电感，寄生电感会产生自谐振与去耦电容，这限制了它的频率带宽，所以这种方法已经被证明不能有效应用于频率高于600 MHz的情况。

最近，电源平面被设计成电磁带隙(EBG)结构来消除SSN,特别是在高频率段应用广泛。EBG 结构从最初的蘑菇型EBG 结构发展到现在的共面型EBG 结构，相对于蘑菇型EBG 结构，共面型EBG 结构不需要专门进行过孔柱设计和多个金属层。

本文提出了一种新型的超宽带共面BS EBG结构，其有效阻带为220 MHz~20 GHz,覆盖近20 GHz 的带宽。本文BS EBG 结构的关键点是在正方形贴片四角蚀刻折线型缝隙，并且相邻的单元之间通过折线形枝节链接。折线形缝隙大大增加相邻的电磁带隙单元之间的电感，它可以有效地抑制低频段的SSN,拥有相对宽的带宽。仿真结果表明：本文EBG 结构可以有效地抑制阻带的SSN开关噪声。

1 BS EBG 电源平面的设计与分析

现代高速数字电路的同步开关噪声范围为100 MHz~20 GHz,为了有效地消除这种宽带噪声，人们已经尝试了很多方法来扩展EBG 结构的带宽。由于大多数的SSN 在低频带产生，因此，如何降低阻带的下限截止频率，同时保持较宽的阻带的带宽是设计的目标。谐振型EBG结构其周期单元本身具有谐振效果，在带隙形成中起主要作用。新型EBG 结构单元经过专门设计，使该单位可以相当于一个谐振效应比较强的LC并联电路。

由于EBG单元在谐振状态下电抗为无穷大，因此，可以防止在谐振频率附近的电磁波传播，形成特定频率带隙。带隙的中心频率和相对带宽近似地由表面单元的等效电容C 和等效电感L 决定。

为了减少带隙的中心频率，如式(1)所示，可以增加单元结构的电感值和电容值。由式(2)可以知道，带宽与电容值的平方根成反比。因此，基于以上的考虑，增加单元的等效电感值，可以有效地降低带隙的中心频率，并提高其阻带的带宽。

本文所提出的BS EBG 结构设计是正方形贴片四角蚀刻折线型缝隙，并且相邻的单元之间通过折线形枝节链接。

本文EBG构造单元如图1(a)所示，相应的参数a1 =30 mm,a2 = 16 mm,枝节长度l1 = 27.4 mm,l2 = 7.4 mm,l3 = 7.8 mm,枝节宽度w1 = w4 = 0.2 mm,w2 = 0.1 mm,w3 = 0.5 mm,缝隙宽度g1 = g2 = 0.2 mm.图1(b)所示为作为参考的Z-bridged EBG结构单元。图1(c)表示相邻的BS EBG 单元构造。当电流从左侧单元中心流到右侧相邻单元的中心，将流过相邻单元之间的金属枝节。

因此，枝节的有效长度越长，EBG结构的实际电感值越大。与传统的Z-bridged EBG 结构的电流流经路径相比，本文的BS EBG 结构枝节长度更长，而且对电源平面的损坏更小。因此，相对于Z-bridged EBG 结构，本文的BS EBG结构具有较低的中心频率和更宽的带隙。

2 BS EBG 的仿真特性分析

为了验证新型BS EBG结构单元的有效性，设计一个3×3单元阵列的双层PCB板。如图2所示，PCB板尺寸为90 mm×90 mm×0.4 mm,介质层厚度为0.4 mm,介质材料为FR4,地平面保持连续完整。为了测试3×3单元阵列对SSN 的抑制特性，如图2(a)所示，在位于坐标(45 mm,45 mm)，(75 mm,45 mm)，(75 mm,75 mm)的三点处，分别加载3个测试端口，坐标原点如图2(b)所示。 [p]

新型BS EBG 电源平面和Z-bridged 电源平面在0~20 GHz 之间进行仿真对比，使用的工具是ANSOFT公司的HFSS 软件。带宽定义为S21 参数的插入损耗小于-30 dB 的范围。如图3(a)，(b)所示，新型BSEBG 电源平面的S21 带宽范围从220 MHz~20 GHz(19.8 GHz带宽)，而Z-bridged EBG 结构的仿真S21 的范围从330 MHz~6.55 GHz(6.22 GHz带宽)。从图3(c)可以看出，BS EBG 结构的仿真数据和实测数据具有良好的一致性。与Z-bridged EBG结构相比较，新型BS EBG的带宽增加了218.3%,相对带宽增加了约15%,下限截止频率降低了110 MHz,几乎覆盖了SSN的全部频带。

由图3(d)可以看出，BS EBG的S21 和S31 曲线基本一致。因此，本文的BS-EBG结构可以全方位消除电源平面上的SSN.

3 结论

本文提出了一种抑制同步开关噪声的新型电磁带隙结构BS EBG.当带宽被定义为-30 dB以下时，新型BS EBG 结构的带隙范围为220 MHz~20 GHz.相比于传统的Z-bridged EBG电源平面，BS EBG电源平面的相对带宽增加了约15%,下限截止频率降低了110 MHz,对于同步开关噪声具有良好的抑制效果。