[發明專利]一種優化PCB板電源分配網絡的電磁帶隙結構及其構建方法

有效

• 申請號: 201110294321.3
• 申請日: 2011-09-30
• 公開（公告）號: CN102361533A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 閻照文;韓雅靜;車明明;曹晉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H05K1/02
• 分類號: H05K1/02;H05K3/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術領域

本發明涉及一種優化PCB板電源分配網絡的電磁帶隙結構及其構建方法。該電磁帶隙結 構可以抑制高速電路電源分配網絡(“電源分配網絡”以下簡稱PDN)的高頻及超高頻電源 噪聲。它屬于高速電路微波技術領域。

(二)背景技術

隨著半導體工藝的進步和電路新技術的不斷涌現，電路系統向著高速度、高密度、高功 耗、低電壓和大電流的趨勢發展。電路系統工作的可靠性和穩定性成為高速電路發展的關鍵， 這就為當代電子系統的電源分配網絡設計與電源完整性分析提出了嚴峻挑戰。

PDN是電子系統最龐大最復雜的互聯結構，系統上所有器件都直接或間接地連接到PDN 上，約40％的互聯空間用于PDN布局布線。PDN的設計與電路電源完整性(PI)直接相關， 也與信號完整性(SI)和電磁干擾(EMI)緊密相連。PCB板上的晶體管的同步開關行為需 要吸取大量的瞬態電流，導致了供電軌道電壓的波動，電壓波動在PDN上傳播形成分布式電 源噪聲。電源噪聲通過PDN耦合到信號線上，引起信號畸變，眼圖閉合。電源地平面形成的 諧振腔容易被高速數字信號的返回電流和同步開關噪聲(SSN)激勵而發生諧振，導致電源 地平面邊緣上嚴重的電磁輻射。

當前對PI的研究并沒有形成一個完整的系統，研究方向主要為電源平面的建模與分析、 去耦電容網絡的分析與設計、電源開關噪聲和PCB的電磁兼容四個方面。對于PDN的優化和 設計，去耦電容網絡是其重要組成部分，去耦網絡的設計也是PDN的設計難點。如何分配去 耦電容器、去耦電容的位置是否影響去耦效果等問題是爭論的焦點。SSN的抑制也是PDN設 計的一項重要內容。目前已經發展出了多種SSN抑制方法：(1)添加分立去耦電容器；(2) 采用嵌入式去耦電容器；(3)優化過孔的位置；(4)電源地平面分割；(5)在PCB邊緣增加 阻性匹配元件；(6)采用有損元件；(7)設計過孔防護欄；(8)采用差分信令等。但這些方 法在抑制SSN時存在不足，如去耦電容的寄生電感使得電容器在高頻的阻抗增大而使得噪聲 抑制失效，一般的表貼封裝去耦電容器的去耦范圍在100MHz左右。近年來引進了一種采用 電磁帶隙結構(EBG結構)抑制PDN中電源噪聲的方法，并衍生出多種寬帶EBG結構及其設 計與分析方法。

EBG結構是具有帶阻特性的周期性結構，可以采用金屬、介質、鐵磁或鐵電物質植入基 質材料，或者直接由各種材料周期性排列而成。目前國內外提出的EBG結構多種多樣，比如 在介質基板中穿孔，或者在介質基板中填充其他材料或金屬，在微帶電路表面環繞冗余部分 形成EBG結構等。EBG結構引入到電源地平面的噪聲抑制中抑制高速系統中SSN和電磁輻射 其原理為：EBG結構表現出一種奇特電磁特性，它為兩平面間的高頻電流(或噪聲)提供了 低阻抗通路。兩參考平面交流短路，這就使得電源地平面產生的噪聲迅速通過本地低阻抗通 路形成回路，不能向外傳播，從而達到噪聲抑制的效果。噪聲被抑制的同時也減小了電磁輻 射。

一般情況下，EBG結構的帶寬很窄并且下限截止頻率很高，而數字信號的SSN頻率范圍 覆蓋從DC到時鐘頻率的高次諧波。因此如何降低EBG結構的下限截止頻率或增加帶寬以獲 得更好的噪聲抑制特性成為研究焦點。另外應權衡SSN抑制和成本問題。將電磁帶隙概念引 入到集成電路的設計和制作工藝中，利用現有的集成電路工藝，如反應離子體刻蝕、基于X 射線光刻技術的微機電系統加工技術等，實現電磁帶隙與集成電路的有機結合，降低電磁帶 隙的制作難度和成本。本發明中設計了一種新型的抑制頻率帶寬達10GHz以上的復合共面 EBG結構。它實現了低下限截止頻率高帶寬的特性且制作成本低。

(三)發明內容

1、發明目的