[发明专利]基于局部电磁带隙结构的电源分配网络

说明书

技术领域

本发明涉及高速电路微波技术，具体涉及一种基于局部带隙结构的电源分配网络，尤其是一种用于解决现代混合系统中电源完整性、信号完整性和电磁完整性问题的电源分配网络，本发明基于局部电磁带隙结构进行设计，在宽阻带抑制同步开关噪声的同时，具有低电磁干扰和良好信号完整性等特性。

背景技术

随着现代无线通信系统的发展，大规模集成电路的集成度和制造工艺在不断提高，为同时满足系统高速度和低功耗的要求，数字电路的工作频率越来越高，高速时钟信号的边沿不断陡峭，信号电压也不断降低。高速混合电路系统中，由高速数字电路中大量的高速开关器件同时状态切换所产生的噪声，称之为同步开关噪声（Simultaneous Switching Noise,SSN），又称之为地弹噪声（Ground Bounce Noise,GBN）。同步开关噪声在由电路板的电源、地平面所构成的平行板波导中传播，会激发出平面谐振模式，从而导致严重的信号完整性和电磁干扰等问题，对混合电路系统中射频、模拟电路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。另外，电路板中的大量通孔所引起的震荡效应还会导致严重的辐射和电磁干扰问题。因此，如何在保证电路信号完整性和电磁完整性的前提下，设计好电源分配网络（PDN），来有效地抑制同步开关噪声成为目前研究的热点和难点之一。

由于现代高速混合电路系统中，分布了大量的高速开关器件，同步开关噪声的产生不可避免，因此需要有效的抑制同步开关噪声的传播。为解决这一问题，减小电源和地平面之间的同步开关噪声，保证电路系统的信号完整性、电源完整性和电磁完整性，已提出一些电源分配网络的设计方案。典型的方法是添加去耦电容器，但去耦电容的噪声抑制频率范围有限，当系统的工作频率升高时，由去耦电容自身产生的寄生电感会增大电容器的高频阻抗，使得当工作频率大于GHz以上时噪声抑制措施失效。另外还有电源/地平面分割、优化过孔的设计位置、设计过孔防护栏等。这些噪声抑制的方法各异，但也存在一些不足。比如，电源/地平面分割的方法在抑制噪声的同时，会造成返回电流路径的不连续性，从而破坏了高速电路的信号完整性。另外，通过出现谐振现象来选择过孔的位置的方法，虽然可以避开谐振频率的谐振峰值，但平面谐振同时也具有频率相关性，使得该方法只能用于某些特定的谐振频率点，具有一定的局限性。

电磁带隙结构（EBG）是一种由有耗介质、导体金属或其他混合体组成的人工电磁材料。其电磁带隙形成机理分为两种，一种是Bragg散射原理，利用一种介质材料在另一种介质材料中周期分布来形成周期结构，当电磁波传输时，某些频率范围的电磁波强度会因为周期性的介质散射而减弱，从而形成了一定的频率带隙；另外一种是局部谐振机理，通过金属单元与电介质之间的耦合，形成谐振单元，利用结构单元自身的谐振效应，来形成高阻表面，阻止其谐振频率附近的表面波传播，继而形成一定的频率带隙。后一种情形的EBG结构，其阻带中心频率仅仅与局部谐振单元的谐振频率有关，而与结构的周期大小无关，使用常规的PCB加工工艺较为容易实现，因此其应用场景较多。它常常用于改善微波器件和天线的性能，现在也越来越多地应用于高速PCB中同步开关噪声抑制的研究。

在高速混合电路系统的电磁兼容设计中，使用具有频率带隙特性电磁带隙结构来抑制同步开关噪声大致分为两类，一种是蘑菇型EBG结构，其基本单元是在电源平面和地平面之间设计特别的通孔及附加的平面间金属贴片；另外一种是平面型EBG结构，相比较蘑菇型EBG结构，它便于采用标准PCB工艺进行加工，比如带有嵌入层的双平面EBG结构，L-bridge EBG结构，S-bridge EBG结构，级联低频和高频单元的EBG结构等等。然而这些方法多关注于如何降低EBG结构的阻带中心频率和增加阻带带宽来抑制同步开关噪声，对于信号完整性和电磁完整性问题却涉及较少。

而实际上，在系统级封装技术中，高速数字电路芯片和射频/模拟电路芯片常被设计在同一个集成电路系统。而由高速数字处理器的数字开关状态切换不同步所产生的噪声，会通过电源分配网络耦合到射频/模拟这些对噪声较敏感的电路上。传统的利用共面性电磁带隙结构来解决同步开关噪声的设计中，由于电磁带隙结构是一种周期性分布结构，电源平面上周期性的刻蚀槽线，从而破坏了电流的返回路径，很大程度上影响了电源分配网络的信号完整性。

发明内容