CN103997200B - 一种基于平面c-型桥电磁带隙结构的电源分配网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于平面C‑型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括依次布置的电源平面、介质基板和地平面，所述电源平面包括电磁带隙结构单元矩阵，每个电磁带隙结构单元为中心对称结构且引出四个分别连接相邻的四个电磁带隙结构单元的C‑型桥，其中任一C‑型桥的两端分别连接在相邻两个电磁带隙结构单元的相背侧。本发明将平面C‑型桥电磁带隙结构单元周期性地雕刻在电源分配网络的电源平面上，能够在宽频率范围内对电源分配网络中，电源地平面之间的同步开关噪声进行抑制，使得系统获得较好的电源完整性。

Description

一种基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络
技术领域
本发明涉及高速电路微波技术领域，具体涉及一种基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络。
背景技术
在当代高速度、高密度、高功耗、低电压和大电流的数字系统中，高速瞬态电流引起的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,SSN)耦合到系统电源分配网络(Power Distribution Network,PDN)内部，并在电源分配网络的电源/地平面对构成的平行板波导中传播，激起平面谐振，导致严重的电源完整性(Power Integrity,PI)问题，并最终引发信号完整性(Signal Integrity,SI)及电磁干扰(Electro-Magnetic Interference,EMI)等问题，影响电子系统的信号质量，甚至导致系统无法正常工作。电源完整性，尤其是电源分配网络中SSN的抑制，已经成为高速数字系统信号质量提升研究的重点。
数字电路具有开关特性，数字电路中同步开关噪声的产生不可避免。随着电子系统信号翻转速度的不断提高，同步开关噪声在系统电源分配网络中传播，严重影响系统信号的质量，因此，需要对同步开关噪声进行有效的抑制。
典型的抑制同步开关噪声的方法有使用分立式去耦电容、使用嵌入式电容、电源/地平面分割等，这些抑制同步开关噪声的方法各异，但都存在一定的不足。比如，由于自身以及安装线路寄生参数的存在，随着频率的升高，分立式去耦电容的自谐振使其去耦作用减小甚至消失，因此，该方法只适用于数百MHz以下的频段；嵌入式电容要求特殊的印刷电路板制造材料和工艺，并存在高介电常数介质导致信号线路阻抗突变的问题；电源/地平面分割会造成信号返回路径的不连续，破坏高速电路的信号完整性。
电磁带隙(Electormagnetic Band Gap，EBG)结构是一种由有耗介质、金属导体等组成的人工电磁材料，它能够在一定的频段内抑制电磁表面波的传播，从而形成频率带隙。
电磁带隙形成的机理分为两种，一种是Bragg散射机理，另一种是局域谐振机理。在Bragg散射机理EBG中，利用一种介质材料在另一种介质材料中周期性的分布形成周期性结构，在某些频率范围内散射电磁波，从而形成一定的频率带隙；在局域谐振机理EBG中，利用金属单元与介质特殊的连接关系，形成局域电容与电感的谐振单元，利用结构单元在谐振效应下的高阻特性，阻止谐振频率附近的电磁表面波传播，从而形成频率带隙。
局域谐振机理EBG结构的阻带中心频率仅仅与局域谐振单元的谐振频率有关，而与结构的周期大小无关，这使得其在结构尺寸设计上具有更高的灵活性，进而越来越多的被应用于高速数字电路同步开关噪声抑制的研究中。
局域谐振机理EBG结构也分为两类，一类是蘑菇型EBG(Mushrom-likeEBG)结构，另一类是平面型EBG结构。相较于蘑菇型EBG结构，平面型EBG结构制造更为方便，且不需要占据额外的PCB层，制造成本较低。但是，在典型的平面型EBG结构中，如L-bridged EBG结构、S-bridged EBG结构及LBS-EBG结构等，要么阻带宽度十分有限，要么低频截止频率较高，其在高速数字电路同步开关噪声抑制方面的性能都需要进一步提升。
发明内容
本发明提供了一种基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，将平面C-型桥电磁带隙结构单元周期性地雕刻在电源分配网络的电源平面上，能够在宽频率范围内对电源分配网络中，电源地平面之间的同步开关噪声进行抑制，使得系统获得较好的电源完整性。
一种基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括依次布置的电源平面、介质基板和地平面，所述电源平面包括电磁带隙结构单元矩阵，每个电磁带隙结构单元为中心对称结构且引出四个C-型桥，分别连接相邻的四个电磁带隙结构单元，任一C-型桥的两端分别连接在相邻两个电磁带隙结构单元的相背侧。
混合信号高速数字系统包括噪声源电路(如高速数字电路、开关电源等)和噪声敏感电路(如射频电路、模拟电路等)，噪声源电路产生的同步开关噪声会耦合到系统的电源分配网络中，并在电源分配网络中传播，最后对噪声敏感电路形成干扰。
本发明将平面C-型桥电磁带隙结构单元周期性地雕刻在电源分配网络的电源平面上，可以在宽频率范围内对电源分配网络中，电源地平面之间的同步开关噪声进行抑制，使得系统获得较好的电源完整性。
所述电源平面的材质为铜，厚度为35μm，优选地，所述电源平面的至少一部分由电磁带隙结构单元矩阵构成。即电源平面全部由电磁带隙结构单元矩阵构成，或者电源平面部分由电磁带隙结构单元矩阵构成。
电源平面部分由电磁带隙结构单元矩阵构成(可以参见申请公开号为102957310A的专利文献)，将电磁带隙结构单元局部性地刻蚀在电源平面上，能够在宽阻带抑制同步开关噪声的同时，减小对返回电流路径连续性的破坏，保证了电路的电源完整性和信号完整性。
电磁带隙结构单元矩阵至少由一个电磁带隙结构单元构成，每个电磁带隙结构单元包括矩形的贴片、对应的四个C-型桥分别连接在矩形的四边，C-型桥与贴片的连接处通过开槽形成狭缝。
所述平面C-型桥电磁带隙结构单元的尺寸为30×30mm2，所述C-型桥的宽度为0.2mm。每个电磁带隙结构单元中，C-型桥到贴片的距离为0.2mm，C-型桥的连接端距离电磁带隙结构单元边界的距离为0.35mm。所述狭缝的宽度为0.4mm，所述狭缝的长度为12.1mm，所述狭缝距离贴片边界的距离为5.7mm。
所述介质基板位于电源平面和地平面之间，介质基板为150×90×0.8mm3的矩形块，材质为FR-4，介电常数为4.4，损耗正切值为0.02。所述地平面为完整平面。
本发明基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，当以-40dB为噪声耦合抑制标准时，该电源分配网络能够在296MHz-15GHz频率范围内对电源分配网络内各个方向上的同步开关噪声进行有效抑制。
附图说明
图1为本发明基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络的三维结构示意图；
图2为本发明基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络中电磁带隙结构单元的示意图以及尺寸参数定义；
图3为本发明基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络中相邻两个电磁带隙结构单元的连接示意图；
图4为图1中端口间的噪声抑制散射系数(S参数)的仿真结果；
图5为图1中端口间的噪声抑制散射系数(S参数)的测试结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络做详细描述。
如图1所示，一种基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括依次布置的电源平面(1100)、介质基板(1200)和地平面(1300)，电源平面(1100)包括电磁带隙结构单元(1400)矩阵，每个电磁带隙结构单元(1400)为中心对称结构且引出四个C-型桥(1402)，分别连接相邻的四个电磁带隙结构单元(1400)，任一C-型桥的两端分别连接在相邻两个电磁带隙结构单元(1400)的相背侧。
电源平面(1100)全部或部分由电磁带隙结构单元(1400)矩阵构成，本实施方式中，以电源平面(1100)全部由电磁带隙结构单元(1400)矩阵构成为例，对电源分配网络进行描述以及性能表征。
如图1所示，电源平面(1100)由在二维平面上周期性延拓的3×5的平面C-型桥电磁带隙结构单元(1400)矩阵构成，电源平面(1100)的材质为铜，厚度为35μm。
如图2所示，每个电磁带隙结构单元(1400)包括矩形的贴片(1401)、对应的四个C-型桥(1402)分别连接在矩形的四边，C-型桥(1402)与贴片(1401)的连接处通过开槽形成狭缝(1403)，每个电磁带隙结构单元(1400)的尺寸为30×30mm2。
图3所示为平面C-型桥电磁带隙结构相邻单元间的连接示意图，平面C-型桥电磁带隙结构单元(1400)之间通过C-型桥(1402)相连，C-型桥可以增大电磁带隙结构单元(1400)间的等效串联电感，从而降低噪声抑制散射系数的低频截止频率，增强电源分配网络对低频段噪声的抑制能力。
C-型桥(1402)的宽度w1＝0.2mm；C-型桥到贴片(1401)的距离g1＝0.2mm，C-型桥(1402)的连接端距离电磁带隙结构单元(1400)边界的距离为g2＝0.35mm；狭缝(1403)的宽度为g3＝0.4mm，狭缝(1403)的长度l1＝12.1mm，狭缝(1403)距离贴片(1401)边界的距离s＝5.7mm。
介质基板(1200)是150×90×0.8mm3的矩形块，材质为FR-4，介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，地平面(1300)为完整平面。
将电源分配网络应用于混合信号高速数字电路设计时，噪声源电路和噪声敏感电路分布在不同的区域，测试端口分别位于电磁带隙结构单元(1400)的中心。如图1所示，端口1为噪声源电路所在位置，端口2和端口3为噪声敏感电路所在位置。
端口1处的噪声源电路产生的同步开关噪声耦合到电源分配网络中后，在电源分配网络中传播，由于受到电磁带隙结构自身谐振效应的影响，谐振频率附近的电磁表面波将被衰减，在一定的频率范围内形成频率带隙，从而抑制同步开关噪声在电源分配网络中的传播。
图4为图1中端口1到端口2以及端口1到端口3之间的噪声抑制散射系数(S-参数)的仿真结果。其中，S21表示端口1到端口2的噪声抑制散射系数，S31表示端口1到端口3的噪声抑制散射系数。由图4可知，当同步开关噪声在端口1处产生时，由于端口间电磁带隙结构对噪声的抑制作用，端口2和端口3感受到的噪声干扰将被抑制。
图5为图1中端口1到端口2以及端口1到端口3之间的噪声抑制散射系数(S-参数)的测量结果。其中，S21表示端口1到端口2的噪声抑制散射系数，S31表示端口1到端口3的噪声抑制散射系数。由图5可知，仿真结果(图4所示)与测量结果(图5所示)基本一致，说明电源分配网络设计达到了预计的宽频带、高抑制度且低频截止频率较低的噪声抑制效果。
由图4、图5可以得出，当以-40dB为噪声耦合抑制标准时，本发明提供的电源分配网络能够在296MHz-15GHz频率范围内对网络内各个方向上的同步开关噪声进行有效抑制。

Claims (6)

1.一种基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括依次布置的电源平面、介质基板和地平面，所述电源平面包括电磁带隙结构单元矩阵，其特征在于，每个电磁带隙结构单元为中心对称结构且引出四个分别连接相邻的四个电磁带隙结构单元的C-型桥，其中任一C-型桥的两端分别连接在相邻两个电磁带隙结构单元的相背侧。
2.如权利要求1所述的基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于，每个电磁带隙结构单元包括矩形的贴片、对应的四个C-型桥分别连接在矩形的四边，C-型桥与贴片的连接处通过开槽形成狭缝。
3.如权利要求1或2所述的基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于，所述电源平面的至少一部分由电磁带隙结构单元矩阵构成。
4.如权利要求3所述的基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于，所述C-型桥的宽度为0.2mm。
5.如权利要求4所述的基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于，每个电磁带隙结构单元中，C-型桥到贴片的距离为0.2mm，C-型桥的连接端距离电磁带隙结构单元边界的距离为0.35mm。
6.如权利要求2所述的基于平面C-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于，所述狭缝的宽度为0.4mm，所述狭缝的长度为12.1mm，所述狭缝距离贴片边界的距离为5.7mm。
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