抑制SSN的新型内插L-EBG结构

电源与新能源   作者:李开敬 张根 时间:2016-06-28来源: 电子产品世界

编者按:本文提出的是一种基于平面型EBG (Electromagnetic Bandgap)结构的创新型结构,对于同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise, SSN)的抑制有更优秀的特性。我们设计的这款新型EBG结构,是在周期性L-bridge EBG结构的基础上,在一些单元内插小型的L-bridge EBG。通过仿真验证,此结构具有传统型L-bridge EBG结构所不具有的超带宽抑制能力和较大的抑制深度。然后我们运用电路模型和平行板谐振腔原理分析了该结构上下变频。另外,通过3-D

摘要:本文提出的是一种基于平面型EBG (Electromagnetic Bandgap)结构的创新型结构,对于同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise, SSN)的抑制有更优秀的特性。我们设计的这款新型EBG结构,是在周期性L-bridge EBG结构的基础上,在一些单元内插小型的L-bridge EBG。通过仿真验证,此结构具有传统型L-bridge EBG结构所不具有的超带宽抑制能力和较大的抑制深度。然后我们运用电路模型和平行板谐振腔原理分析了该结构上下变频。另外,通过3-D仿真,得到结构的IR-Drop和直流阻抗。最后,通过眼图验证该结构的信号传输特性。

引言

  近年来,随着电子系统的工作频率越来越高,边沿速率越来越快,供电电压越来越低[1],造成电压噪声容限下降,使得SSN已成为高速数字电路设计的难点之一。由于SSN会造成严重的信号完整性或电源完整性问题,为了保证系统正常工作,对SSN的抑制尤为重要[2-3]

  EBG结构是有效抑制SSN的方法之一。目前,已经发展出多种EBG结构,例如以蘑菇型EBG(Mushroom-type EBG)结构为代表的3D 嵌入式EBG结构[4-8]和以L-Bridge EBG结构为代表的共面型EBG(Coplanar compact EBG)结构[2,9-13]

  本文提出了一种新型L-bridge EBG结构。该结构每个单元的电源平面插入小型的L-EBG,地平面保持完整。并通过仿真,在抑制深度为-30dB时,带宽从461 MHz一直延伸到12GHz。

1 新型内插L-EBG结构方法的分析设计

  新结构是在3×3单元组成的90×90×0.4mm3周期性L-Bridge EBG结构基础上,有选择性地在原单元中心区域挖空并插入小型L-Bridge EBG结构。其中L-Bridge单元结构如图1(a),内插的L-Bridge单元结构如图1(b)所示。此结构仅在电源平面进行开槽,地平面则保持完整。具体参数如下所示:a1=30mm,a2=15.9mm,b1=28.2mm,b2=14.3mm,b3=14mm,g1=0.3mm,g2=0.5mm,g3=0.9mm,g4=0.5mm,w1=0.2mm,w2=0.1mm,w3=0.2mm,w4=0.2 mm。介质为介电常数εr=4.4,耗散因子为tanδ=0.02的FR4材料。介质厚度为0.4mm,铜箔厚度为0.035mm。如图2所示,为验证此结构对于SSN噪声的抑制能力,共设定4个50Ω的集总同轴端口,各个端口的物理位置为:(30mm,30mm,0mm),(0mm,60mm,0mm),(-30mm,30 mm,0mm)和 (-30mm,0mm, 0mm),其中将Port1设为输入端口,剩余端口均设定为输出端口。

  为得到所提出结构的电源噪声抑制能力,通过Ansoft HFSS 15软件对此结构进行了电磁仿真,最终得到所需端口间的S参数的幅值,如图3所示。从图3可以看出,在-30 dB抑制深度下,新型选择性内插式EBG结构的噪声抑制效果良好,阻带从461 MHz左右延伸到12 GHz并覆盖所有所设端口,具有超带宽抑制能力。

  图4所示为新型L-EBG与传统的L-bridge EBG结构(没有内插的L-EBG结构,其他尺寸保持相同)、完整地平面的电源噪声抑制能力的对比。不难看出,在-30dB为参考标准的抑制深度下,提出的结构与传统的L-EBG结构下截止频率大致相同,但是很显然新结构的上截止频率相比于开槽型L-bridge EBG结构要大很多,增加了近7.2GHz。可见新提出的EBG结构具有较大的带宽优势。

2 上下边频估算

2.1 下边频估算

  共面型EBG结构的下边频一般在几百兆频带内,而EBG结构单元的周期长度一般仅为数十毫米。EBG结构工作在这频率段内时,其几何长度与工作波长相比可忽略不计。因此在低频段,EBG结构在功能上等同于由多个集总电路元件组成的低通滤波器。这些元件由EBG单元的总体尺寸决定。这些集总元件包括平面电容Cp及宽导体方形平面回路电感Lp,桥连线电容Cb、电感Lb以及单元块间隙耦合电容Cg。这些参数的表达公式分别如下[14-15]

(1)

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(4)

(5)

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第6期第52页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

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关键词: EBG SSN 电源完整性 IR-Drop 201607

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