[实用新型]一种优化PCB板电源分配网络的电磁带隙结构

说明书

(一)技术领域

本实用新型涉及一种优化PCB板电源分配网络的电磁带隙结构。该电磁带隙结构可以抑制高速电路电源分配网络(“电源分配网络”以下简称PDN)的高频及超高频电源噪声。它属于高速电路微波技术领域。

(二)背景技术

随着半导体工艺的进步和电路新技术的不断涌现，电路系统向着高速度、高密度、高功耗、低电压和大电流的趋势发展。电路系统工作的可靠性和稳定性成为高速电路发展的关键，这就为当代电子系统的电源分配网络设计与电源完整性分析提出了严峻挑战。

PDN是电子系统最庞大最复杂的互联结构，系统上所有器件都直接或间接地连接到PDN上，约40％的互联空间用于PDN布局布线。PDN的设计与电路电源完整性(PI)直接相关，也与信号完整性(SI)和电磁干扰(EMI)紧密相连。PCB板上的晶体管的同步开关行为需要吸取大量的瞬态电流，导致了供电轨道电压的波动，电压波动在PDN上传播形成分布式电源噪声。电源噪声通过PDN耦合到信号线上，引起信号畸变，眼图闭合。电源地平面形成的谐振腔容易被高速数字信号的返回电流和同步开关噪声(SSN)激励而发生谐振，导致电源地平面边缘上严重的电磁辐射。

当前对PI的研究并没有形成一个完整的系统，研究方向主要为电源平面的建模与分析、去耦电容网络的分析与设计、电源开关噪声和PCB的电磁兼容四个方面。对于PDN的优化和设计，去耦电容网络是其重要组成部分，去耦网络的设计也是PDN的设计难点。如何分配去耦电容器、去耦电容的位置是否影响去耦效果等问题是争论的焦点。SSN的抑制也是PDN设计的一项重要内容。目前已经发展出了多种SSN抑制方法：(1)添加分立去耦电容器；(2)采用嵌入式去耦电容器；(3)优化过孔的位置；(4)电源地平面分割；(5)在PCB边缘增加阻性匹配元件；(6)采用有损元件；(7)设计过孔防护栏；(8)采用差分信令等。但这些方法在抑制SSN时存在不足，如去耦电容的寄生电感使得电容器在高频的阻抗增大而使得噪声抑制失效，一般的表贴封装去耦电容器的去耦范围在100MHz左右。近年来引进了一种采用电磁带隙结构(EBG结构)抑制PDN中电源噪声的方法，并衍生出多种宽带EBG结构及其设计与分析方法。

EBG结构是具有带阻特性的周期性结构，可以采用金属、介质、铁磁或铁电物质植入基质材料，或者直接由各种材料周期性排列而成。目前国内外提出的EBG结构多种多样，比如在介质基板中穿孔，或者在介质基板中填充其他材料或金属，在微带电路表面环绕冗余部分形成EBG结构等。EBG结构引入到电源地平面的噪声抑制中抑制高速系统中SSN和电磁辐射其原理为：EBG结构表现出一种奇特电磁特性，它为两平面间的高频电流(或噪声)提供了低阻抗通路。两参考平面交流短路，这就使得电源地平面产生的噪声迅速通过本地低阻抗通路形成回路，不能向外传播，从而达到噪声抑制的效果。噪声被抑制的同时也减小了电磁辐射。

一般情况下，EBG结构的带宽很窄并且下限截止频率很高，而数字信号的SSN频率范围覆盖从DC到时钟频率的高次谐波。因此如何降低EBG结构的下限截止频率或增加带宽以获得更好的噪声抑制特性成为研究焦点。另外应权衡SSN抑制和成本问题。将电磁带隙概念引入到集成电路的设计和制作工艺中，利用现有的集成电路工艺，如反应离子体刻蚀、基于X射线光刻技术的微机电系统加工技术等，实现电磁带隙与集成电路的有机结合，降低电磁带隙的制作难度和成本。本实用新型中设计了一种新型的抑制频率带宽达10GHz以上的复合共面EBG结构。它实现了低下限截止频率高带宽的特性且制作成本低。

(三)实用新型内容

1、目的

由于电子电路的电源分配网络系统中的噪声逐渐延伸到高频、超高频的频率范围内，目前传统的添加去耦电容和现存经典的EBG结构不能很好的应用到如此高的频率范围，且需要考虑到电子电路的制作工艺和生产成本等问题，本实用新型提供一种优化PCB板电源分配网络的电磁带隙结构，它实现了相对频带带宽高、制作成本低的特性要求。该复合共面EBG结构与传统经典的EBG结构相比，克服了传统EBG结构抑制噪声频带宽度较窄的缺点。它可以应用在SSN噪声分布范围越来越宽，要求抑制的频率上限越来越高的高速信号电路中。这种结构通过两种相同形状不同尺寸形状的电源平面蚀刻，有效缩小了电磁带隙结构的尺寸，实现了EBG结构的小型化，有利于电路的集成。

2、技术方案

本实用新型一种优化PCB板电源分配网络的电磁带隙结构，它是一种复合共面EBG结构，该结构为周期结构，它是由EBG结构单元(即周期单元)沿X，Y方向周期延拓而成。