[发明专利]一种抑制数字电路中同步开关噪声的电磁带隙结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁带隙结构，应用于高速数字电路板。

背景技术

同步开关噪声一般存在于高速电路板中，是由于多个元件同时打开或者关闭时，电路中多个模式的谐振产生的。近些年，高速数字电路技术的发展十分迅速，其高边沿上升速率、快时钟频率以及低电压电平等特性，虽然极大地提升了性能，但是使电路系统中的同步开关噪声问题变得越来越严重。如何抑制同步开关噪声，对高速数字电路性能的提升具有重要的作用。

针对如何屏蔽同步开关噪声，比较普遍的一种方法是在电路板中放置去耦电容器。这种方法的缺点主要是在600MHz以上的频率范围内，去耦电容器会和其中寄生电感产生自谐振，使得去耦电容器无法正常工作。因此在600MHz以上的频率范围去耦电容器无法使用。所以，600MHz以上的频率范围内广泛的存在着同步开关噪声，极大的限制了高速数字电路的性能提升。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电磁带隙结构(Electromagnetic Band:EBG)，将印制电路板的电源平面制作成本发明的电磁带隙结构形状，对特定范围的电磁波抑制效果明显，且体积小、结构简单，不需要设计金属过孔，应用前景十分广阔。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括若干个电磁带隙结构单元，每一个电磁带隙结构单元的中心是一个十字形的金属贴片，金属贴片的四个末端均连接有一个折线形金属枝节，折线形金属枝节的任意一段都平行于金属贴片的一边，一个折线形金属枝节填充金属贴片相邻两个末端形成的一个方形缺口，每个折线形金属枝节的最外侧一段平行于距离该段最近的金属贴片末端外沿，长度等于金属贴片相对的两个末端外沿之间的距离；若干个电磁带隙结构单元周期性排列，相邻两个电磁带隙结构单元的相邻折线形金属枝节的最外侧一段相互平行。

本发明的有益效果是：能够在较宽频带范围内抑制同步开关噪声，且抑制效果良好，还具有体积小、结构简单、易于实现、前景广阔等优点。

附图说明

图1是本发明的结构单元示意图。

图2是本发明的结构单元局部放大图。

图3是本发明3×3单元阵列顶视图。

图4是应用了本发明的电源平面和完整电源平面的S21参数实测结果对比图。

图5是应用了本发明的电源平面和完整电源平面的S31参数实测结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的电磁带隙结构，由周期性排列的电磁带隙结构单元构成。每一个单元，其中心是一个“十”字形的金属贴片，“十”字形贴片的四个末端与折线形的金属枝节相连，折线形金属枝节围绕金属贴片分布。本发明提出的电磁带隙结构，能够等效成一个具有很强谐振特性的LC电路，利用其谐振时阻抗无穷大的原理抑制同步开关噪声。

根据LC电路谐振时谐振频率和等效带宽公式：

当电流流过相邻两个电磁带隙结构单元时，会经过折线形枝节，折线形枝节的结构能够显著增大相邻单元之间的电感值L，从而扩宽此LC电路谐振时的带宽，根据其谐振时阻抗为无穷大的特性，能够在更宽的频带上抑制同步开关噪声。

本发明的实施例由周期性排列的电磁带隙结构单元构成。每一个单元，其中心是一个“十”字形的金属贴片，“十”字形贴片的四个末端与折线形的金属枝节相连，四个折线型金属枝节按照“弓”字形分布，分别填充满“十”字型金属贴片的四个缺口，并且四个折线形金属枝节的末端分别平行于“十”字型金属贴片最末端的一个边，长度等于“十”字型金属贴片两个末端之间的最长距离。

本发明的电磁带隙结构，折线型金属枝节的宽度为0.2mm，“弓”字形金属枝节之间距离为0.2mm，“十”字型金属贴片的两个末端之间的最长距离为27.6mm。

本发明的电磁带隙结构，由单元彼此相连排列构成，排列形式为n×m矩阵方式排列(n、m都是自然数)。

本发明提出的电磁带隙结构，能够等效成一个具有很强谐振特性的LC电路，利用其谐振时阻抗无穷大的原理抑制同步开关噪声。

根据LC电路谐振时谐振频率和等效带宽公式，当电流流过相邻两个电磁带隙结构单元时，会经过折线形枝节，折线形枝节的结构能够显著增大相邻单元之间的电感值L，从而扩宽此LC电路谐振时的带宽，根据其谐振时阻抗为无穷大的特性，能够在更宽的频带上抑制同步开关噪声。

实测时设计一个双层PCB板，其电源平面被设计成本发明电磁带隙结构单元按3×3方式排列的形状，另一面是完整的金属平面，作为地平面。PCB板尺寸为90mm×90mm×0.4mm，中间填充FR4介质。如附图中所示，在电源层选取三个相邻电磁带隙结构单元的中心设置三个端口进行S参数测试。默认抑制深度为S参数低于-30dB时满足噪声抑制要求。实测结果显示，完整金属电源平面在频域内并没有对噪声具有较宽的抑制频带，而应用了本发明的电源平面，噪声抑制范围从220MHz-20GHz，能够有效的抑制噪声。