基于EBG结构的高速PCB信号及电源完整性研究

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当前电子产品的发展以高速高密、低电压大电流及复杂多样性为特点,在PCB设计中,必须考虑如信号失真、电源噪声、电源影响信号完整性或信号影响电源等问题。电源完整性(Power Integrity,PI)作为信号完整性(Signal Integrity,SI)的一大重要组成部分,旨在为电子产品提供一个稳定可靠的电源分配网络(Power Distribution Network,PDN),而同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,SSN)是影响PDN稳定性的主要电源噪声来源,因此研究如何消除或减少SSN变得十分重要。电磁带隙(Electromagnet Band Gap,EBG)结构在抑制电源噪声方面备受关注,但大多数用于抑制SSN的EBG结构,抑制带宽有限、下限截止频率较高,而且几乎所有EBG结构都是在完整铜面上蚀刻得到,不仅占用宝贵的PCB布线空间,还可能进一步恶化传输线信号的完整性。因此,本文希望在尽量确保PCB高速电路信号完整性的前提下,设计能有效抑制电源分配网络中SSN的宽带EBG结构。通过阐述高速PCB中信号完整性的相关基础理论,分析PCB上传输线阻抗特性、对影响串扰大小的各因素进行仿真,从电路方面分析同步开关噪声的产生及其在PDN中传播的机理,并对比传统噪声抑制方法的优势与不足。根据两种经典结构——Mushroom-EBG与UC-EBG的结构特点、等效电路模型及带隙特性,结合当前应用前景广泛的软硬结合板的特点与大部分已有EBG结构抑制同步开关噪声时破坏参考铜层对SI产生较大影响的弊端,提出应用于软板网格铜层的单、双枝节LG-EBG结构。经HFSS19.0仿真验证,新型EBG结构在-30dB 下可获得 0.63-7.52GHZ、0.43-10.97GHZ 的优良抑制带宽,比 0.65-4.77GHZ的传统L-bridge抑制带宽分别增加2.77GHZ、6.42GHZ。同时研究了周期单元大小、支撑介质、覆铜层与L枝节等可能影响此类EBG结构带隙特性的因素。最后,经过PCB的实物打板制作,由矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)测试验证了 LG-EBG结构的实际SSN抑制效果;对新型EBG结构建立等效电路模型,估算分析上下限截止频率;再经时域协同仿真分析新结构的眼图,说明提出的单、双枝节EBG结构不仅能有效抑制SSN,也能更大程度保证原有的信号完整性。
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