[发明专利]螺旋谐振环超宽带同步开关噪声抑制电源分配网络

说明书

技术领域

本发明涉及电源完整性与高速电路微波技术领域，一种基于局域谐振隔离的螺旋 谐振环超宽带同步开关噪声抑制电源分配网络，本发明可广泛应用于高速电子电路设备 中。

背景技术

随着现代高速数字电路的发展，快速边沿上升速率，高时钟速率和低电压电平等 原因使电源平面与地平面之间的同步开关噪声(SSN：SimultaneousSwitchingNoise)问 题变得越来越突出。同步开关噪声是由印刷电路板(PCB)上的多个有源器件的电流同时开 关时，电源平面与地平面之间多种谐振模式造成，而同步开关噪声又会引起信号完整性与 电磁兼容等问题。随着现代高速、高性能数字系统需求的日益增加，该类数字系统所具有的 快速边沿上升速率、高时钟速率和低电压电平等特点使得电源平面与地平面之间所产生 的同步开关噪声（SSN）问题已成为制约其发展和应用的主要瓶颈。且电路系统向着高速度、 低电压、低功耗的趋势发展，数字、模拟以及射频等模块集成到一个电路模块中以获得更小 的体积和更高的性能。系统能力的提高引发了更大的开关电流，当印刷电路板（PCB)上的多 个有源器件的电流同时开关时，电源平面与地平面之间存在的多种谐振模式将会导致同步 开关噪声的产生，而产生的同步开关噪声又会引起信号完整性的相关问题以及电磁干扰等 问题的出现，对电源分配网络的供电能力提出了更高的要求并且引发了更严重的供电噪声 波动。电源分配网络是高速数字电路系统设计的基础，直接影响了信号完整性、电源完整性 以及电磁完整性的性能，因此电源分配网络为数字电路提供电荷的同时也为噪声提供了优 异的传播路径，因此电源分配网络既要保证供电性能又要抑制噪声的影响，电源分配网络 的设计与分析一直都是研究的重点，因此，如何有效抑制高速电路中的同步开关噪声的产 生己成为不可避免的研究议题，也成为电路设计人员必须解决的难题。

传统降低电源同步开关噪声的方法多以加入局域、全局去耦电容，在电源平面与 地平面间加入嵌入式去耦电容，在电源或地平面上蚀刻出折型细槽，分割平面将噪声隔离， 或在电源平面上加入同构或异构的周期性拓展结构等方法为主。

如在题目为《高速电路电源分配网络设计与电源完整性分析》论文中，作者对局 域、全局去耦电容对电源完整性及同步开关噪声抑制的进行了研究，在噪声敏感电路、器件 周围放置一些电容器，将其从平面间谐振噪声传播中保护起来，为SSN提供低阻抗通道，防 止其扩散到其它区域，从而形成一道噪声隔离墙，当频率高于600MHz时，由于去耦电容器中 存在寄生电感，寄生电感会和电容器产生自谐振，从而限制了频率带宽，一般地当去耦电容 器应用于高于600MHz频率时无效。然而典型的SSN具有低于6GHz的低通频谱，因此采用去 耦电容器的旁路技术并不能解决高频的SSN问题，结果表明去耦电容仅能够在低频处对噪 声进行隔离，在高频处失效，尽管去耦电容在低频范围内能够有效的降低平面阻抗，但由电 容组成的噪声隔离墙会对保护区内的器件造成噪声波震荡，从而引起潜在的EMI问题，此 外大量布放去耦电容将压缩电路板上可摆放的器件数量，降低了可用度，且增加了成本；

又如P.Muthana等人在题目为《ImprovementsinnoisesuppressionforI/O circuitsusingembeddedplanarcapacitors》的期刊论文中对在电源平面与地平面间 加入嵌入式去耦电容对同步开关噪声的抑制情况进行了研究，结果表明嵌入式去耦电容具 有较好的同步开关抑制效果，但阻带覆盖宽带有限，尤其在低频处，且需在介质层进行特殊 处理或额外加入金属层，需要较高的制造工艺，成本较高，加大了制作难度，降低了电源平 面有效使用面积，减小了置于其上摆放的器件数量，不利于实际的工程实现，降低了其有效 性，将对以其为参考平面的传输线的信号完整性造成严重影响；

张斌等人在题为《电网高速数据采集系统板级同步开关噪声抑制研究》的期刊论文中 对平面分割降低同步开关噪声方面进行了应用性研究，尽管减少了平面间的噪声传递，但 对以平面为参考的信号线来说，这样的平面并不是连续参考平面，会增加信号返回路径，从 而对信号质量造成影响，严重时还会发生辐射；