電磁帶隙結構在同步開關噪聲抑制中的應用分析*

張志偉1，,李玉山

(1.陜西理工學院 電信工程系,陜西 漢中 723000；2.西安電子科技大學 電路CAD研究所,西安 710071)

1 引 言

隨著電子系統向高速度、高功耗、低電壓、大電流和高集成度的趨勢發展，高速數字系統的分析與設計的重點已經從信號完整性轉移到電源完整性。同步開關噪聲(Simultaneous Switching Noise,SSN)是電源完整性設計的一個重要內容，是衡量電源功率傳輸質量的重要指標。SSN的分析與設計已經成為高速系統設計的主角之一已有十余年了，很多關于SSN的研究都是對實際情況進行了多次重大的簡化。這些研究重點在于闡明SSN產生的機理、對數字系統造成的影響，以及從中找出正確處理SSN的辦法等。本文在廣泛總結和凝練前人研究成果的基礎上，分析現有各種抑制SSN的方法機理和不足，引入國際上最新的應用電磁帶隙結構(Electromagnetic Band Gap,EBG)抑制SSN的概念，通過對多種寬帶EBG結構設計的仿真分析和應用研究，證明其能獲得良好的寬帶SSN抑制效果。

2 同步開關噪聲產生的問題

由于信號的邊沿變陡,信號的電壓不斷下降,電路系統越來越龐大，一方面加強了SSN，另一方面電子系統對SSN越來越敏感,導致SSN噪聲的抑制異常困難[1]。同步開關噪聲會激起平面諧振，引起地彈問題和電磁輻射(EMI)。地彈直接影響工作速度和產品可靠性，EMI導致電子產品無法達到輻射要求，從而不能通過美國FCC標準造成產品不能及時推向市場，這將使公司不能實現利潤的最大化，甚至會蒙受重大的損失。

隨著平面對在電子產品中的廣泛使用，數字電路的性能得到了很大提高，研究的方向也從互連電感轉向了平面電感，因此對平面對的研究成國際研究的主題。了解微波知識就會知道，平面對其實就是平面波導，因此在微波方向的研究有助于解決EMI的問題。

根據面積為a×b的末端開路電路板的電源平面和地平面上電壓波動分布圖可知，平面上的電壓分布取決于諧振模式，而諧振頻率取決于模數、絕緣體的介電常數和平面的物理尺寸。平面的諧振頻率由下式可得：

(1)

假設b>a，第一種模式相應的諧振頻率為

(2)

在式(1)和式(2)中，μ和ζ分別表示平面間材料的導磁率和介電常數。平面上的電壓分布取決于電源位置。

如圖1所示，當處于諧振頻率時，平面上電壓分布為最大值和最小值都在平面上特定的點處。

圖1 諧振對信號傳輸的影響

平面上電壓波動的變化稱為平面反彈。平面上大的電壓波動可能會引起與其相關的信號線的重要耦合，這樣可能傳輸到靜態接收電路并且會引起來自末端接邊緣的電磁輻射。

當平面對在諧振處時，會產生很大的輻射導致電路不能正常工作，因此在電路設計或者研究過程中，常常要求把諧振峰值拉高或拉低以使其脫離工作所需的頻率區域。

研究SSN主要有理論和仿真兩種方法，其中仿真主要是通過一些仿真軟件實現，如ANSOFT、Hspice、ADS等軟件。同樣，我們也需要建模來對所需了解的問題進行建模仿真。由于SSN問題的復雜性，完全的建模是不現實的，現在的方法基本都是簡化問題來對所關注的問題進行建模和研究。

3 同步開關噪聲的抑制方法研究

3.1 同步開關噪聲的抑制方法

處理SSN的最根本辦法就是從源頭上減少SSN的產生。由于數字系統是利用晶體管的開關來獲得邏輯功能，幾乎不可能阻止或減小SSN的產生，即使是芯片級設計師也無能為力。但如果從另外一個角度考慮問題，往往會得到解決問題的更好辦法。雖然不能夠阻止SSN的產生，但是SSN總是要通過媒質傳播才能到達被影響的電路模塊，因此可以在SSN的傳播過程中采用各種辦法將其抑制掉。這個思想也是當前處理SSN耦合的最重要思想。目前已經設計出多種SSN抑制方法：添加分立去耦電容[2]；采用嵌入式去耦電容[3]；優化過孔的位置[4]；電源地平面分割[5]；采用差分信令等。

這些噪聲抑制的方法機理各異，在抑制SSN的同時也存在不足：去耦電容為SSN提供低阻抗的本地通路而達到噪聲抑制的作用，去耦電容的寄生電感使得電容在高頻的阻抗增大而使得噪聲抑制失效，一般的表貼封裝去耦電容的去耦范圍在100 MHz左右。嵌入式去耦電容則能在很大程度上改善去耦頻率，但是制板的成本高，也容易引起可靠性問題。選擇過孔的位置根據諧振現象的位置相關性避開某個諧振點上的諧振峰值，但是平面諧振同時也具有頻率相關性，故該方法只適用于某一個特定的諧振頻率點。電源地平面分割切斷了SSN傳播的路徑而達到噪聲抑制的效果，但同時也造成了返回路徑上的不連續，破壞了信號的完整性。采用差分信號能改善信號的質量并減少SSN，但是要求更多的布線空間和PCB面積，增加了系統的成本，一般只在數據率很高的場合采用。

3.2 電磁帶隙(EBG)結構的研究

最近，一種新穎的SSN抑制方法——電磁帶隙結構(EBG)引入到電源地平面的噪聲抑制中，以抑制高速系統中SSN和EMI[6-7]這些平面EBG結構的帶寬高下截止頻率低，具有良好的噪聲抑制作用。

3.2.1EBG結構

EBG結構的原理為：在阻帶范圍內SSN噪聲被限制在本地單元塊內，無法向外傳播，從而達到SSN和EMI抑制的作用。事實上，可以這樣認為：對阻帶內頻率范圍內的噪聲來說，電源和地平面可以認為是短路的，它為SSN提供了一條低阻抗的本地電流通路，使電流從本地流入低平面，從而使SSN被限制在其產生的地方無法向外傳播，達到抑制噪聲和EMI的作用。

圖2為典型的Sievenpiper方形EBG結構，EBG表面由多個單元塊在水平二維平面上周期地排列形成，圖中只給出了4個單元塊。EBG表面位于電源平面和地平面之間，通過過孔與其中一個平面相連。在阻帶內，EBG結構表現出一種奇特電磁特性：它為兩平面間的高頻電流(或噪聲)提供了低阻抗通路，兩參考平面交流短路，這就使得電源地平面產生的噪聲迅速通過本地低阻抗通路形成回路，不能向外傳播，從而達到噪聲抑制的效果。噪聲被抑制了，EMI也就減小了，所以EBG結構也同樣可用于EMI抑制[8]。

(a)俯視圖

(b)單元塊的側視圖

EBG結構能提供很好的噪聲抑制功能，下面將分別介紹幾種EBG結構設計的主要方法和研究思路。

3.2.2兩種EBG結構的并行適用

這種方法通過選擇不同帶寬的EBG結構來抑制噪聲，從下面的帶寬圖可以看見這種雙結構的EBG可以實現兩個頻帶內的噪聲抑制。圖3是其原理圖和仿真結果。

(a)原理圖

(b)仿真結果

3.2.3兩種結構的疊層適用

這種方法同樣通過選擇不同帶寬的EBG結構來抑制噪聲，從圖4可以看出這種雙結構的EBG可以實現兩個頻帶內的噪聲抑制。

圖4 疊層適用結構EBG的結構圖和仿真效果圖

3.2.4多過孔EBG結構

多過孔EBG結果通過增加過孔提高電感來增加帶寬大小，往往能增加2～6倍的大小。這種方法制造簡單，基本不需要增加太多的成本就可以達到很好的效果。圖5給出了結構圖和仿真效果圖。

(a)結構圖

(b)仿真效果圖圖5 多過孔EBG的結構圖和噪聲抑制效果圖

3.3 發展研究方向

從前面各種結構的EBG仿真噪聲抑制效果圖可以看出，EBG具有很好的同步開關噪聲抑制作用，但是EBG結構在低數百兆赫頻率內的噪聲抑制效果不理想，因此根據具體情況需要加去耦電容來提供這一頻率范圍內的抑制功能; 其次，由于EBG結構需要額外的金屬層和大量的過孔，如果在整個PCB或封裝中設計EBG結構將極大地增加電子系統的成本。針對此問題，近期學者在雙面EBG結構基礎上創新性地提出了超寬帶低成本EBG隔離墻的SSN抑制方法[9]，有效地降低了引入EBG結構的成本，并極大地拓寬了噪聲抑制的帶寬。

4 總 結

高速電路系統中，信號完整性的各種問題，尤其是同步開關噪聲(SSN)對互連線上的信號有很大的影響，越來越引起專業芯片設計人員的重視。為保證系統工作的穩定性，國際國內眾多資深專業研究機構從不同角度對SSN進行分析并研究各種相應抑制方法，電磁帶隙結構(EBG)作為最新解決方法比傳統的加去耦電容等設計方法具有明顯優勢，但是在實際應用中也存在成本高、影響高速信號傳輸質量等問題,因此在EBG結構應用研究中一定要慎重權衡性能與代價，爭取獲得能廣泛適用的設計。

參考文獻：

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