CN105207467A - 基于平面s-型桥电磁带隙结构的电源分配网络 - Google Patents

Abstract

一种基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括电源平面、介质基板和地平面，介质基板覆盖在地平面上，电源平面位于介质基板上，平面S-型桥电磁带隙结构单元在电源平面所在的二维平面上周期性延拓构成矩阵，每个平面S-型桥电磁带隙结构单元包括贴片和四个半S-型桥，贴片与半S-型桥的连接处通过开槽形成狭缝，四个半S-型桥分别设有位于整个结构单元上、下、左、右的四个引出端，一个平面S-型桥电磁带隙结构单元的四个引出端分别与上、下、左、右相邻的平面S-型桥电磁带隙结构单元的其中一个引出端相连形成平面S-型桥。本发明宽频率范围内对同步开关噪声抑制能力良好、电源完整性较好。

Description

基于平面S-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、电磁场与微波技术领域，具体涉及一种基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，尤其是一种用于解决现代高速数字电路同步开关噪声抑制问题的电源分配网络。

背景技术

随着现代数字通信系统的发展，系统的集成度不断提高，同时为满足系统高速度和低功耗的要求，高速时钟信号的边沿不断变陡，信号电压不断降低。高速电路系统工作过程中大量的高速开关器件同时切换状态产生的同步开关噪声(SimultaneousSwitchingNoise,SSN)，也称为地弹噪声(GroundBounceNoise,GBN)在电路板的电源、地平面所构成的平行板波导中传播，容易激起平面谐振，导致严重的信号完整性(SI)和电磁干扰(EMI)问题，对周围高速设备产生干扰或引发芯片的误动作，从而影响到系统的整体稳定性。这些噪声耦合至印刷电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)的电源、地平面构成的平行板波导中，将激起平面谐振，导致严重的电源完整性(PowerIntegrity,PI)问题，并最终引发信号完整性(SignalIntegrity,SI)及电磁干扰(Electro-MagneticInterference,EMI)等问题，影响电子系统的稳定性，甚至导致系统无法正常工作。如何有效地抑制SSN成为目前高速电路电源分配网络(PowerDistributionNetwork,PDN)设计研究的重点。

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、使用差分传输线等。这些抑制同步开关噪声的方法各异，但也存在一定的不足。比如，由于寄生电感的存在，去耦电容只适用于600MHz以下的频段；嵌入式电容需要额外的PCB层，导致PCB制造成本攀升且阻带宽度有限；电源层分割破坏平面连续性，容易引起信号完整性问题；使用差分传输线，会增加PCB面积从而增加成本，且功耗比较大，适合传输要求比较高的信号。

电磁带隙(ElectormagneticBandGap，EBG)形成的机理分为两种，一种是Bragg散射机理，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，可以采用集总参数的并联LC电路模型来对带隙结构进行描述和估算，这使得其在结构尺寸设计上具有更高的灵活性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结构可分为蘑菇型EBG(Mushroom-likeEBG)结构和平面型EBG结构这两类。蘑菇型EBG结构所需的多层金属成本较高，EBG结构逐渐演化为以共面EBG结构为主。然而传统的EBG结构，如LBS-EBG结构、CBS-EBG结构及S-Bridged结构等，一般阻带宽度十分有限，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有可提升的空间。

发明内容

为了克服已有电源分配网络的宽频率范围内对同步开关噪声抑制能力较差、电源完整性较差的不足，本发明提供一种宽频率范围内对同步开关噪声抑制能力良好、电源完整性较好的基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括电源平面、介质基板和地平面，所述介质基板覆盖在所述地平面上，所述电源平面位于介质基板上，所述电源分配网络还包括平面S-型桥电磁带隙结构单元，所述平面S-型桥电磁带隙结构单元在所述电源平面所在的二维平面上周期性延拓构成矩阵，每个平面S-型桥电磁带隙结构单元包括贴片和四个半S-型桥，所述贴片与半S-型桥的连接处通过开槽形成狭缝，所述四个半S-型桥分别设有位于整个结构单元上、下、左、右的四个引出端，一个平面S-型桥电磁带隙结构单元的四个引出端分别与上、下、左、右相邻的平面S-型桥电磁带隙结构单元的其中一个引出端相连形成平面S-型桥。

进一步，所述半S-型桥靠近电磁带隙结构单元边沿部分的宽度为w1，S1-型桥和S2-型桥靠近贴片部分的宽度为w3，两个半S-型桥之间部分的宽度为w2，w2＝w3，且w2＝2×w1。

再进一步，所述半S-型桥靠近电磁带隙结构单元边沿部分与所述半S-型桥靠近贴片部分之间的距离为g1，所述半S-型桥靠近贴片部分与贴片的距离为g3，两个半S-型桥之间部分的距离为g2，g2＝g3，且g1＝2×g2，g2＝w2。

所述狭缝的宽度与g2相等。

本发明的有益效果主要表现在：宽频率范围内对同步开关噪声抑制能力良好、电源完整性较好。

附图说明

图1是基于平面S-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是基于平面S-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是基于平面S-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是图1中端口间的噪声抑制散射系数(S参数)的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括电源平面1100、介质基板1200和地平面1300，所述介质基板覆盖在所述地平面上，所述电源平面位于介质基板上，所述电源分配网络还包括平面S-型桥电磁带隙结构单元1400，所述平面S-型桥电磁带隙结构单元1400在所述电源平面所在的二维平面上周期性延拓构成矩阵，每个平面S-型桥电磁带隙结构单元包括贴片1401和四个半S-型桥，所述贴片与半S-型桥的连接处通过开槽形成狭缝，所述四个半S-型桥分别设有位于整个结构单元上、下、左、右的四个引出端，一个平面S-型桥电磁带隙结构单元的四个引出端分别与上、下、左、右相邻的平面S-型桥电磁带隙结构单元的其中一个引出端相连形成平面S-型桥。

进一步，所述半S-型桥靠近电磁带隙结构单元边沿部分的宽度为w1，S1-型桥和S2-型桥靠近贴片部分的宽度为w3，两个半S-型桥之间部分的宽度为w2，w2＝w3，且w2＝2×w1。

再进一步，所述半S-型桥靠近电磁带隙结构单元边沿部分与所述半S-型桥靠近贴片部分之间的距离为g1，所述半S-型桥靠近贴片部分与贴片的距离为g3，两个半S-型桥之间部分的距离为g2，g2＝g3，且g1＝2×g2，g2＝w2。

所述狭缝的宽度与g2相等。

本实施例中，参照图1，所述的电源平面1100由在二维平面上周期性延拓的3×5的平面S-型桥电磁带隙结构单元，1400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，材质为铜，厚度为35μm。

每个电磁带隙结构单元引出四个半S-型桥，分别连接相邻的四个电磁带隙结构单元，半S-型桥与贴片的连接处通过开槽形成狭缝。

所述的平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，所述的平面S-型桥电磁带隙结构单元1400尺寸大小为30×30mm²，由贴片1401、半S-型桥1402和1403(另外两个未标注)、狭缝1404和1405构成；半S-型桥1402和1403靠近电磁带隙结构单元边沿部分的宽度为0.1mm，S1-型桥和S2-型桥靠近贴片部分的宽度为0.2mm，两者之间部分的宽度为0.2mm。

半S-型桥1402和1403靠近电磁带隙结构单元边沿部分与半S-型桥1402和1403靠近贴片部分的距离为0.4mm，半S-型桥1402和1403靠近贴片部分与贴片的距离为0.2mm，两者之间部分的距离为0.2mm。

所述狭缝1404和1405的宽度为0.2mm，所述狭缝1404和1405的长度与深度都为10.6mm。

所述的介质基板1200位于电源平面和地平面之间，介质基板是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，所述地平面为完整平面。

当以-40dB为噪声耦合抑制标准时，所述的电源分配网络能够在182MHz-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。

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。

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。

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S-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。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的中心。如图1所示，端口1为噪声源电路所在的位置，端口2和端口3为噪声敏感电路所在的位置。

如图2所示，半S-型桥1402和1403靠近电磁带隙结构单元1400边沿部分的宽度w1＝0.1mm，半S-型桥1402和1403靠近贴片1401部分的宽度w3＝0.2mm，半S-型桥1402和1403在g1与g2之间的宽度w2＝0.2mm。

半S-型桥1402和1403靠近电磁带隙结构单元边沿部分与半S-型桥1402和1403靠近贴片部分的距离为g1＝0.4mm，半S-型桥1402和1403靠近贴片部分与贴片的距离为g3＝0.2mm，半S-型桥1402和1403在w2与w3之间的距离g2＝0.2mm

狭缝1404和1405的宽度为g4＝g5＝0.2mm，所述狭缝1404和1405的长度与深度都为l＝s＝10.6mm。

图3所示为平面S-型桥电磁带隙结构相邻单元间的连接示意图，平面S-型桥电磁带隙结构单元之间通过S-型桥相连，S-型桥可以增大电磁带隙结构单元间的等效串联电感，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。

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。

如图4所示，在考虑端口1到端口2与端口1到端口3之间相距的平面S-型桥电磁带隙结构单元1400长度差异的情况下，端口1到端口2和端口3之间的散射系数基本一致，所述的电源分配网络在182MHz-15GHz频率范围内对各个方向上的同步开关噪声都有相同的抑制作用。

上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替代、组合、裁剪，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，包括电源平面、介质基板和地平面，所述介质基板覆盖在所述地平面上，所述电源平面位于介质基板上，其特征在于：所述电源分配网络还包括平面S-型桥电磁带隙结构单元，所述平面S-型桥电磁带隙结构单元在所述电源平面所在的二维平面上周期性延拓构成矩阵，每个平面S-型桥电磁带隙结构单元包括贴片和四个半S-型桥，所述贴片与半S-型桥的连接处通过开槽形成狭缝，所述四个半S-型桥分别设有位于整个结构单元上、下、左、右的四个引出端，一个平面S-型桥电磁带隙结构单元的四个引出端分别与上、下、左、右相邻的平面S-型桥电磁带隙结构单元的其中一个引出端相连形成平面S-型桥。

2.如权利要求1所述的基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于：所述半S-型桥靠近电磁带隙结构单元边沿部分的宽度为w1，S1-型桥和S2-型桥靠近贴片部分的宽度为w3，两个半S-型桥之间部分的宽度为w2，w2＝w3，且w2＝2×w1。

3.如权利要求2所述的基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于：所述半S-型桥靠近电磁带隙结构单元边沿部分与所述半S-型桥靠近贴片部分之间的距离为g1，所述半S-型桥靠近贴片部分与贴片的距离为g3，两个半S-型桥之间部分的距离为g2，g2＝g3，且g1＝2×g2，g2＝w2。

4.如权利要求3所述的基于平面S-型桥电磁带隙结构的电源分配网络，其特征在于：所述狭缝的宽度与g2相等。