（电路与系统专业论文）ebg结构在高速pcb电源分布网络中的应用研究.pdf

摘要 ，煳粉 本文以电磁带隙( e b g ) 结构在高速印刷电路板( p c b ) 电源分布网络( p d n ) 噪声 的抑制为研究对象，介绍了p d n 设计的基本部件、模型及同步开关噪声( s s n ) 形 成的原因，研究了基于高阻抗平面( h i s ) 的蘑菇型e b g 结构和平面型e b g 结构的 设计特点、阻带特性及等效电路模型，总结了影响蘑菇型e b g 和平面型e b g 结 构阻带性能的等效电路元件并提出改进其阻带性能的方法。在此基础上设计三种 新型e b g 结构，并将其应用到高速p c b 中p d n 的电源噪声抑制中。具体工作归 纳如下： ( 1 ) 提出一种宽阻带t 型交指电容e b g 结构。通过在传统h i s 的基础上增加交 指电容，增大电源层与h i s 层之间的耦合电容，降低h i s 层的等效电感。3 0 d b 时该e b g 结构相对于传统h i s 结构，阻带下截止频率从0 9g h z 降低到2 9 0m h z ， 阻带带宽从6 1g h z 提高到7 1g h z 。在不改变单元结构的面积，增加交指单元层 数和降低单元厚度的情况下，通过仿真验证，该结构具有良好的连续宽阻带s s n 抑制能力。 ( 2 ) 提出一种多层改进蘑菇型e b g 结构。将两层螺旋型平面嵌入到电源层与 h i s 层之间，可有效增大电源层与h i s 层之间的耦合电容i 增大h i s 单元的等效 电感，进而降低阻带的下截止频率，提高阻带的抑制宽度。通过仿真分析验证， 该结构具有良好的连续超宽带s s n 抑制能力，3 0 d b 时s s n 抑制阻带从0 6g h z 到1 5g h z 。 ( 3 ) 提出一种螺旋型电感增强的平面型e b g 结构，单元结构是由一个正方形的 金属片和四个螺旋型电感桥组成。该结构可显著地减小下截止频率并扩宽阻带的 宽度且保持一定的信号完整性。2 9 d b 时阻带宽度为5 6g h z ，阻带范围从2 0 0m h z 到5 8g h z 。同时提出一个2 d 等效电路模型并进行插入损耗仿真，经验证该模型 可有效预测阻带参数。 关键字：电磁带隙电源分布网络同时开关噪声电源完整性 a b s t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ( e b g ) s t r u c t u r e sf o rt h en o i s es u p p r e s s i o no ft h e p o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ( p d n ) i nt h eh i g h s p e e dp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) a r e s t u d i e di n t h i sp a p e r n l eb a s i cc o m p o n e n t s ，t h em o d e l s a n dt h eo r i g i n so ft h e s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s e ( s s n ) a r ef i r s t l yi n t r o d u c e d t h e nt h em u s h r o o m l i k e e b gs t r u c t u r e sb a s e do nt h eh i 。g hi m p e d a n c es u r f a c e ( h i s ) a n dt h ec o p l a n a re b g s t r u c t u r e sa r ei n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gt h ep e s p e c t i v e so ft h ed e s i g nc o n c e p t , t h e c h a r a c t e r so ft h es t o p b a n da n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t so ft h e s et w oe b gs t r u c t u r e s a t t h es a m et i m e ，t w om e t h o d sf o re n h a n c i n gt h es s nm i t i g a t i o no ft h ee b gs t r u c t u r e sa r e p r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tm o d e l s f i n a l l y , t h r e en o v e le b g s t r u c t u r e sa r e p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h ee b gs t r u c t u r e sd e s c r i b e da b o v e n en e w s t r u c t u r e sa r ee f f i c i e n t l ye m p l o y e dt om i t i g a t et h es s no ft h ep d ni nt h eh i g h - s p e e d p c b t h ed e t a i l e dc o n t e n t sa r ei l l u s t r a t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) aw i d e b a n de b gs t r u c t u r eb a s e do nt h eh i si sp r o p o s e d t h ec a p a c i t a n c e b e t w e e nt h ep o w e rp l a n ea n dt h ep a t c hc a nb ei n c r e a s e da n dt h ei n d u c t a n c eo ft h ep a t c h r e d u c e db ya d d i n gat - s h a p e di n t e r d i g i t a lc a p a i c t o r ( i d c ) b e t w e e nt h et w op l a n e s c o m p a r e d 、杭t ht h et r a d i t i o n a le b g , t h e - 3 0 d bs t o p b a n do ft h ep r o p o s e ds t r u c t u r ei s b r o a d e n df r o m6 1g h zt o7 1g h za n dt h el o w e rc o m e rf r e q u e n c yi sd e c r e a s e df r o m 9 3 0m h zt o2 9 0m h z i nt h ec a s eo fi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fp l a n e si nt h ei d ca n d d e c r e a s i n gt h et h i c k n e s so ft h ec e l lw i t h o u tc h a n g i n gt h ea r e ao ft h ee b gu n i t ，t h e e x c e l l e n tc o n t i n u o u sw i d e b a n ds s ni sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n ( 2 ) am u l t i l a y e re b gs t r u c t u r ew i t l lt w oe m b e d d e ds p i r a l - s h a p e dp l a n e sb e t w e e n t h ep o w e rp l a n ea n dt h et y p i c a lm u s h r o o m - l i k ee b gs t r u c t u r ei sp r e s e n t e d ，i nw h i c ht h e e q u i v a l e n tc a p a c i t a n c eb e t w e e nt h ep o w e rp l a n ea n dt h eh i sa n ds e l f - i n d u c t a n c eo f t h e p a t c hc a nb ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , w h i l et h es e l f - i n d u c t a n c eo ft h ep o w e rp l a n e d e c r e a s e d t h ep r o p o s e de b gs t r u c t u r ep e r f o r m se x c e l l e n tu l t r aw i d e b a n ds s n m i t i g a t i o ni nt h eh i g h s p e e dp c b 1 1 1 e 一3 0 d bs u p p r e s s i o nb a n d g a po ft h en e wd e s i g ni s f r o m0 6g h zt o15g h z t h eg o o dp e r f o r m a n c ei sv a l i d a t e db yt h es i m u l a t i o n ( 3 ) as t o p b a n d - e n h a n c e dc o p l a n a re b gs t r u c t u r ei sp r o p o s e d ，o fw h i c ht h eu n i t c e l li sc o n s i s t e do fam e t a l l i cp a t c ha n df o u rs p i r a l s h a p e db r i d g e s t h i sd e s i g nc a l l d e c r e a s et h el o w e rc o m e rf r e q u e n c ya n di n c r e a s et h eb a n d w i d t h 、析t l lk e e p i n gt h es i g n a l i n t e g r i t y t h e 2 9 d bs t o p b a n di sf r o m2 0 0m h z t o5 8g h z 埘t ht h eb a n d w i d t h5 6g h z a2 - d i m e n s i o ne q m v a l e mm o d e l ，w h i c hi sv a l i d a t e db yt h es i m u l a t i o n ，i sp r e s e n t e d s i m u l t a n e o u s l yf o r t h ep u 印o o fp r e d i c t i n gt h ep a r a m e t e r so ft h es t o p b a n d k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a po e b g ) p o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ( p o n ) s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s e ( s s p o w e ri n t e g r i t y ( p i ) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近几年，随着晶体管技术向着更小特征尺寸发展，以及系统的小型化和器件 规模的不断扩大，更多的晶体管被集成到一个芯片中。由于有了更低的电压和门 电容，更快速的晶体管已经应用到了新一代的计算机中。当今主流个人计算机处 理器的时钟工作频率已从数年前i 4 8 6 的2 5m h z 提高到p e n t i u mi v 的3g h z 以上。 然而，晶体管集成度的增加必然导致芯片供电电流增加，进而增大工作功耗。根 据国际半导体科技展望( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r , i t r s ) 预测【1 1 ，到2 0 1 2 年集成电路的特征尺寸将会达到5 0l n ，供电电压为0 6v ，功耗 为1 7 5w ，而相应的时钟频率为1 0g h z 。因此，随着现代高速数字电路系统向着 高时钟频率、高数据传输速率和低供电电压趋势发展，对电路系统的电源分布网 络( p o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，p d n ) 设计和信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y , s i ) 以及电 源完整性( p o w e ri n t e g r i t y , p t ) 分析提出了严峻的挑战。 图1 1 所示为一个高速数字电路系统的p d n 电源噪声及其影响的示意图。p d n 是由+ 5 v 电源、p c b 板级电源地平面和低频去耦电容以及芯片级封装和去耦电容 组成。其中p c b 电路板为一四层结构，具有一个电源层平面和一个地平面以及两 个信号层平面。电路板通过上述四层结构以及芯片之间的互连提供系统的电源和 信号分布。在图1 1 中，随着系统时钟频率不断升高，信号的上升时间缩短，芯片 a 和b 中大量晶体管的同时开关会产生大量的瞬时电流，这些电流通过芯片电源、 地引脚及相应的连接电源、地过孔等感性器件中时，会使供电轨道电压产生波动 并在p d n 上传播构成电源噪声，该噪声称为同时开关噪声( s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n g n o i s e ，s s n ) ，地弹噪声( g r o u n db o u n c en o i s e ，g b n ) 或者i 噪声【副；产生的s s n 又 会在电源层与地层之间构成的谐振腔( c a v i t yr e s o n a n c em o d e s ) 内以电磁波的方式 辐射传播并耦合到信号线中，引起信号失真和畸变，使信号线的信号完整性变差， 产生信号完整性问题；同时，s s n 和地平面的返回电流又通过电源地谐振腔以电 磁波向外辐射对其他系统进行电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 3 1 。 因此，如果s s n 或者i 噪声在高速数字电路系统设计中不能被及时发现和抑 制，将会导致数字系统产生严重的信号完整性问题、电源完整性问题以及电磁干 扰问题1 2 】。 2 e b g 结构在高速p c b 电源分布网络中的应用研究 s i g n a l i 层 g n d 层 v c c 层 s i g n a l 2 层 低频去耦电容 v 优过孔 图1 1 高速数字系统p d n 中产生的电源噪声及其影响 1 2 国内外研究现状 随着器件规模不断变大的要求和封装技术的发展，将模拟电路、数字电路、 射频电路、存储器和传感器模块等集成到一个封装中构成的电子系统称之为封装 系统 4 1 ，这种封装系统已经广泛应用于手机及其它通信系统中。伴随着高速数字系 统的时钟工作频率越来越高，以及系统的高功率低供电电压的要求，如何为电路 系统提供一个干净电源已成为高速系统设计所面临的主要瓶颈。对于具有多层电 路板的p d n 来说，电源噪声的来源主要是由大量晶体管同时开关产生的s s n 。因 此，研究如何抑制高速p c b 中的s s n 对于p d n 设计具有重要的意义。 对于s s n ，或者g b n 和i 噪声的分析研究已经有十余年了，文献【5 7 】用局 部自感和互感对封装进行建模并分析s s n 形成的原理。s s n 抑制的研究十分重要， 研究人员在过去几十年中提出了许多抑制s s n 的方法。在早期研究工作中，主要 包括使用去耦电容【引，嵌入式电容器 9 1 ，电源层分割和电源岛【1 0 1 的方法以及采用差 分信令1 1 1 1 ，但是这些方法存在诸多缺陷：去耦电容由于其存在的等效串联电感 ( e q u i v a l e n ts e r i e si n d u c t a n c e ，e s l ) ，只能应用在6 0 0m h z 以下的低频范围，而在 g h z 以上的高频范围该方法对s s n 不能起到抑制作用；嵌入式电容器可以在很大 程度上改善s s n 的抑制作用，但是该方法存在制作费用和有限阻带带宽的限制； 使用分割电源层和电源岛的缺点是破坏了电源平面电流返回路径的连续性，当传 输线经过分割层时会使信号完整性严重下降；利用差分信令技术可以提高信号的 第一章绪论3 传输质量，但是缺点是需要增大p c b 的面积和布线密度，增大了制作成本，这种 方法适合系统中个别数据率要求特别高的信号布线使用。 近年来提出的电磁带隙( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ，e b g ) 概念，由于其高阻抗 和带阻特性，可在g h z 上的频率范围对s s n 进行抑制，因此e b g 结构在高速p c b 电源分布网络噪声抑制方面的研究越来越受到重视。e b g 最早是由光子晶体 ( p h o t o n i cc r y s t a l ) i j i 入的，1 9 8 7 年美国贝尔实验室的e y a b l o n o v i t c h 和普林斯顿大 学的s j o l l l l 分别在讨论抑制光子器件自发辐射的方法和无序电介质材料的光子 局域谐振问题时提出光子晶体的概念【1 2 , 1 3 】。光子晶体由于可以抑制特定频带上的 光波在其表面的传播而具有光子带隙( p h o t o n i cb a n d g a p ，p b g ) 特性。后来人们发现 可以将光子晶体结构的特性应用到非光频率的电磁波上，所以引入了e b g 的概念。 1 9 9 9 年，s i e v e n p i p e r t l 4 】首次在天线应用中提出利用周期结构形成的高阻抗表面 ( h i g hi m p e d a n c es u r f a c e ，h i s ) 来抑制电磁表面波在一定频率范围内的传播。之后， 文献【2 ，1 5 】提出使用h i s 型e b g 结构对高速电路两层平行板电源分布网络中的 s s n 进行抑制。该类e b g 结构在阻带内具有很好的s s n 抑制能力，但是缺点是阻 带带宽较窄。后来，多种平面型e b g 结构【1 6 。3 2 】相继提出，包括共面紧凑型光子晶 体( u n i p l a n a rc o m p a c tp h o t o n i cb a n d g a p ，u c p b g ) 1 6 l7 1 ，l 型桥e b g ( l - b r i d g e d e b g ) 1 1 引，折线型桥e b g ( m e a n d e r - l i n e b r i d g e de b g ) t 1 9 2 0 1 ，s 型桥e b g ( s b r i d g e d e b g ) t 2 1 1 ，a i e b g t 2 2 1 ，共平面紧凑型e b g ( u c e b g ) 2 3 艺6 】，叶状e b g ( l e a f t ye b g ) 1 2 7 】 及其它一些平面型e b g 结构【2 & 3 2 】，这些结构通过利用增大平面内的桥电感，从而 达到降低阻带中心频率、增大阻带带宽的目的，并在抑制s s n 和电源层与地层间 的谐振腔上取得一定的效果。而且其加工工艺简单，可以在比较宽的频率范围内 抑制s s n 。但是平面e b g 也有一定的缺陷，平面e b g 需要对电源层进行分割， 由此造成的电源平面不连续会使其上的传输线信号完整性变差，产生严重的s i 问 题。因为多层p c b 中p d n 之间的s s n 分布在一个从d c 到6g h z 的宽频率范围， 所以增加阻带带宽和降低阻带的中心频率成为了研究的重点。下面简要介绍改进 方法： ( 1 ) 文献 3 3 3 5 提出利用阻带参数不同的e b g 单元在水平方向上进行级联的方 法组成构成新的e b g 结构，其中文献 3 3 】提出利用不同周期的三种h i s 结构水平 级联以构成多阻带( m u l t i b a n d g a p ) e b g 结构；文献【3 4 】提出利用不同周期的蘑菇型 e b g ( 或h i s 型e b g ) 结构水平级联，使阻带扩宽改善抑制s s n 的性能；文献 3 5 】 使用不同数量过孔的h i s 单元进行水平级联，也可以使阻带性能有一定的提升。 使用水平级联的方法可以扩宽抑制噪声的阻带，但是这种方法的缺点是在不同 e b g 单元的阻带交界处s s n 抑制能力较弱，而且这种结构会占用更多的面积。 ( 2 ) 文献 3 6 3 8 提出垂直方向级联e b g 单元的方法进行扩展e b g 结构的阻带 宽度，这种方法与水平级联类似，相同点是使用不同阻带参数的e b g 单元，不同 4 e b g 结构在高速p c b 电源分布网络中的应用研究 点是在方向上是垂直级联。文献【3 6 】使用1 6 个h i s 单元垂直嵌入到l 型桥平面e b g 单元中构成双面e b g ( d o u b l e s u r f a c ee b g ) 结构，该新型结构可以将阻带宽度提高 到3 0g h z 。文献【3 7 】提出将两种h i s e b g 单元利用低温共烧陶瓷工艺( l o w t e m p e r a t u r ec o f n e dc e r a m i c ，l t c c ) 分别垂直嵌入到电源层和地层上构成双堆栈 e b g ( d o u b l e s t a c k e de b g , d s e b g ) 结构，可以有效的抑制s s n 并应用在系统上封 装( s y s t e mi np a c k a g e ，s i p ) q a 。文献【3 8 】提出一种3 层阻带增强型e b g 结构，该结 构由一种周期型平面作为e b g 结构的顶层，地平面作为该结构的第三层，第二层 采用h i s 阵列并用过孔连接至地层，其中过孔的数量可变并提出了该e b g 结构1 d 等效电路模型。文献【3 9 】利用水平和垂直级联两种方法，在文献 3 5 】的提出的 d o u b l e s u r f a c ee b g 的基础上改变周期长度后进行水平级联，从而提出一种紧凑型 混合级联e b g ( 3 dc a s c a d e de b g ) 结构。使用垂直级联方法的缺陷与水平级联类似， 都是在阻带交界处抑制s s n 能力较弱，缺少连续抑制能力。 ( 3 ) m s z h a n g 4 0 , 4 1 】提出多过孔e b g ( m u l t i v i ae b g ) 结构，该结构通过改变h i s 单元过孔的数量的方法来增大阻带宽度，文中通过将h i s 单元过孔数量分别设置 为l 到5 后，经过仿真和实际测试得到当过孔数量为4 时，此时得到的e b g 阻带 宽度最大，并利用数学公式验证此结论。 ( 4 ) 通过改变介质可以改善e b g 结构的阻带性能。j l e e 等人1 4 2 j 提出一种高介 电常数薄膜e b g 结构，通过在h i s 金属片与电源层之间嵌入_ 层高介电常数薄膜 介质，可以有效的降低阻带的下截止频率和增大阻带带宽。t k w a n g 4 3 等人提出 a s e b g 结构，通过向平面e b g 的电源层和地层之间嵌入空气和高介电常数混合 介质，可以增强阻带带宽。这种方法需要特殊的工艺且增加制作费用。 ( 5 ) 文献【4 4 _ 4 6 提出增大h i s 的等效电感方法降低阻带的中心频率和增大阻带 带宽。其中，t k a m g a i n g t 4 4 l 等人利用单圈( s i i l g l e - 1 0 0 p ) 电感或者多圈( m u l t i t u m ) 电 感代替h i s 单元的普通过孔，增大e b g 结构的等效电感，进而提高抑制s s n 的 能力。c l w a n 9 1 4 5 】等人将h i s 的金属片替换成螺旋( s p i r a l ) 形状金属片，通过调节 金属片的旋转圈数，增大金属片的等效电感，进而增大阻带带宽。h s h e l 4 6 1 等人 提出一种改进的l 型桥结构，通过在h i s 单元的金属片边缘加入l 型桥结构或者 螺旋桥( s p i r a l b r i d g e d ) 结构，可以增大金属片的等效电感，扩展阻带宽度，降低中 心频率。 另外，yw h u a n g t 4 7 】等人提出新型e b g 结构，该结构不同于前面介绍的平面 e b g 和h i s 型e b g ，它是利用l t c c 工艺将3 d 交指电容( 3 di n t e r d i g i t a lc a p a c t i o r , 3 d i d c ) 和u 型传输线作为单元周期连接的一种小型化e b g 结构，该结构经过仿 真和实测验证，可以抑制g i - i z 的宽阻带s s n ，并且文中作者给出了比较精确的等 效电路模型和数学计算。 为了更精确的研究e b g 对p d n 的影响，e b g 结构的建模越来越引起大家的 第一章绪论 5 重视，文献 4 8 5 l 】提出了很多模型用来模拟e b g 抑制s s n 并取得7 , 1 e 多的成果； 此外，还有关于e b g 结构的电阻压降( 0 d r o p ) 和热分析( n e 肌a lp e r f o r m a n c e ) t 5 2 j 以及利用过孔连接将平面e b g 嵌入到电源和地之间的电源完整性分析【5 3 1 。 1 3 本文研究内容及章节结构 随着高速数字系统工作频率的不断升高，芯片内的数字开关的频繁导通与关 断会产生大量的电流，这种开关电流会对高速p c b 中电源分布网络产生影响，包 括电源完整性、信号完整性和电磁干扰等问题。虽然我们不能完全消除这种p d n 开关噪声，但可以通过研究p d n 的设计使其阻抗最小化，增强其抑制s s n 的效果。 早期研究抑制s s n 时多采用去耦电容等方法来降低p d n 阻抗，但随着近年来高速 p c b 的迅速发展，去耦电容在g h z 以上的频率范围内对s s n 的抑制作用不大，而 e b g 结构的高阻抗和阻带特性被成功应用于高频噪声的抑制。所以本文主要通过 分析基于h i s 的蘑菇型e b g 结构和平面型e b g 结构的阻带特性和等效电路，研 究如何增强e b g 在宽阻带范围内的s s n 抑制能力。然后设计了三种新型的e b g 结构，包括两种基于h i s 型的e b g 结构和一个平面型e b g 结构，并且对其进行 详细的建模和阻带仿真分析。 本文的章节结构安排如下： 第一章：主要介绍电磁带隙结构抑制s s n 的研究背景、国内外的研究现状， 并确定了本文主要的研究内容。 第二章：介绍p d n 设计的理论基础，包括p d n 的组成、各组成元件的特性、 典型的等效电路以及设计原则和p d n 设计中面临的难点和问题。同时，阐述了s s n 的形成原理并利用h s p i c e 仿真s s n 。 第三章：介绍了基于h i s 的蘑菇型e b g 结构设计，并分析了h i s 的等效媒质 模型和蘑菇型e b g 的等效电路模型，总结了影响蘑菇型e b g 阻带特性的等效电 路元件。接着介绍了平面e b g 的通用设计及其等效电路模型，总结了影响平面型 e b g 阻带特性的等效电路元件，并举例介绍了四种典型的平面型e b g 的结构设计 及阻带特性，最后通过电磁仿真软件a n s o f th f s sv 11 仿真四种平面型e b g 结构 的插入损耗对其阻带特性进行验证。 第四章：主要提出三种新型e b g 结构，并分别对三种e b g 结构的s s n 抑制 性能、带宽扩展的原因以及各结构的等效电路进行了研究和阐述，通过仿真对比 验证了所提出的新型e b g 在s s n 抑制的性能上有很大的提升，增强e b g 结构在 高速p c b 中s s n 抑制的应用。 第五章：对本文所研究和分析的内容进行总结并展望。 6 e b g 结构在高速p c b 电源分布网络中的应用研究 第二章电源分布网络和同时开关噪声 第二章电源分布网络和同时开关噪声 2 1 引言 通常高速数字电路系统的供电电源( 包括电压和电流的源端) 的体积比较大，而 且在p c b 板中不能直接与芯片的电源端和地端相连。所以需要用到一些具有电感 性和电阻性的互连线将供电电源与芯片的电源端引脚进行相连。当芯片中的晶体 管中同时开关时，流经这些互连线的电流就会增大，在芯片的电源端和地端处产 生直流( d c ) 压降及时变电压波动等问题，具体如下【_ 7 】： ( 1 ) 芯片电源供电端之间电压的降低将会减慢或者阻止晶体管的状态转换； ( 2 ) 芯片电源供电端之间电压的增大会导致电路可靠性问题； ( 3 ) 泄露到静态晶体管的电压波动以及临近的动态信号线的串扰会使传输路径 远端的静态晶体管电路发生错误的开关转换； ( 4 ) 驱动器输出波形的退化会导致时序容限错误。 i 仰 图2 1 电源产生波动的原理示意图 图2 1 为电源产生波动的原理图，其实际结构图参考第一章绪论中的图1 1 。 根据图2 1 所示，将供电电源加到图1 1 所示p c b 结构的v c c 层和g n d 层之间 为芯片彳和芯片b 供电，其中，连接芯片电源引脚的互连线和过孔等效为接电源 8 e b g 结构在高速p c b 电源分布网络中的应用研究 的等效电感三n 与芯片地引脚相连的互连线和过孔等效为接地等效电感l g 。s i g l 与s i 9 2 是数字系统的两条信号线，其中抛j 是动态信号线，信号流向是由芯片彳 的踞j 引脚输出到芯片b 的s i g l 引脚；s i 9 2 是静态信号，由芯片b 的s i 9 2 引脚 输出，然后输入到芯片么的s i 9 2 引脚。当流经电源和地间的电流由于芯片开关工 作时产生较大的开关电流，如图2 1 所示电流变化为a i ，则加到芯片彳和芯片b 的电源v c c 引脚产生电压降，使s i 9 2 在芯片b 输出处产生同时开关噪声；同时， 由于动态线豫j 受到电源电压波动，对静态信号线s i 9 2 产生信号串扰，影响信号 完整性。因此，需要在供电电源与芯片之间建立一个合适的p d n ，使其在规定要 求的时间区间内能够为晶体管提供合适的电流。 本章主要讲述p d n 设计的理论基础，包括p d n 的组成、各组成元件的特性、 典型的等效电路以及设计原则和p d n 设计中面临的难点和问题。同时，阐述s s n 的形成原理并利用h s p i c e 仿真s s n 。 2 2 电源分布网络的组成 电源分布网络( p d n ) 的主要组成部件是：供电电源、稳压器( v o l t a g er e g u l a t o r m o d u l e ，v r m ) 、大量的去耦电容( 包括表贴s m t 去耦电容器、体电容器和嵌入式 电容器) 、为开关电路提供充放电通路的互连封装和p c b 平面( 又称芯片电源供电 轨道) 和芯片内p d n 。 各部分的传输电荷效率有所不同，且存在着速度等级的划分。其中，v r m 为 整个系统提供电源，是p d n 中最大的电荷贮存和输运源，主要包括储存在去耦电 容器中的电荷、电源与地平面中的电荷和芯片中消耗的电荷。因为v r m 中的寄生 电感比较大，所以它的反应速度较慢，而且其提供的电流变化率维持在lm h z 以 下。体电容器是p d n 中第二大的电荷存储和运输源，电容值的范围一般位于几百 微法到几毫法，它可以为p d n 提供的电流变化率低于数百纳秒。s m t 去耦电容器 ( 或高频陶瓷电容) 的容量范围为几十纳法到几百微法，它能提供的电流变化率可以 高达数十纳秒左右。电源与地平面构成的金属平面电容则是可以提供低于数十纳 秒的快速电流，即可以满足频率在几百m h z 以上的充电要求，它构成了p d n 速 度等级的最后一级，如果需要更快的电荷变化需求，则需要依靠芯片内的电源分 布网络来提供。 图2 2 给出了典型的p c b 电源分布网络( p d n ) 的示意图，主要包括：使用p c b 平面、低频去耦电容器和v r m 的板级电源分布；使用p c b 平面和中频去耦电容 器的封装级的电源分布；以及使用薄氧化物介质去耦电容器的芯片级电源分布。 如图2 2 所示，v r m 将直流电压2 4 v 的电源转换为5 v 的直流输出，通过一对表 示为电源和地平面以及相关的去耦电容1 1 ( 包括体电容、s m t 电容以及嵌入式电容) 第二章电源分布网络和同时开关噪声9 后给数字器件或者芯片供电。 板和封装电源分配芯片电源分配 u ，历鬲 ；j ri | i 广 甲ir 噩翻= 低频至中频至高频 高频至超高频 图2 2 典型的p c b 电源分布( p d n ) 组成部件图 下面主要介绍p d n 中v r m 、去耦电容器、封装和p c b 平面及芯片内电源分 布网络的主要内容。 2 3 稳压器 稳压器( v r m ) 又称d c d c 变换器，高速数字系统正常工作时需要多个直流电 源，这些直流电源需要经过有效的调节后，可以在一定的频率带宽范围内对电路 进行供电。随着现阶段器件功率的不断提高和供电电压不断降低的趋势，这就要 求在设计v r m 部分时，需要考虑交流转直流( a c d c ) 变换器和直流转直流( d c d c ) 变换器的位置，应该是a c d c 和d c d c 的位置更靠近它所供电的器件或芯片附 近。 2 3 1 稳压器的设计要求 典型的大电流和低电压的系统一般都有：数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , d s p ) ，中央处理器单元( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ，c p 以及开关电源转换 芯片。对于这类系统的器件，其最大电流可能会超过1 0 0 a ，而所需的电压可能只 在0 8v 到2 5v 左右的范围内【7 1 。一般的器件其内核电压往往是特定的，需要专 用的d c d c 电源变换器，称这种变换器为负载点( p o i n t - o f - l o a d ，p o l ) 变换器。除 了大电流的要求，高速数字电路系统具有多个供电电压，所以需要不同供电电压 单元。一般的t t l 的逻辑器件是5v 和3 3v 的，但是随着集成电路工艺的发展， 一些使用2 5v 、1 8v 、1 5v 甚至更低电压的逻辑器件被制作出来。保持器件的 速度最优化并保持最低功耗的需求，使留给电源供电轨道的设计改进空间很小。 因此，针对上述问题，解决的方法就是在电路板使用多个d c d c 开关稳压器 以满足不同的供电电压需求。其中，使用的d c d c 电源变换器需要满足以下两条 1 0 e b g 结构在高速p c b 电源分布网络中的应用研究 约束规则： ( 1 ) p c b 上的初始电压，即a c d c 电源变换器的输出或者备用电池的输出要比 一般的供电电压高； ( 2 ) d c d c 电源变换器一般很少要求隔离，而一般的a c d c 变换器很容易实 现隔离功能。 因此基于上述要求，使用单相非隔离的降压( b u c k ) 型d c d c 开关稳压器仍然 是当今广泛采用的方法；在一些要求使用大电流的应用场合下，可以采用大电流、 多相位变换器。 2 3 2 稳压器的工作原理 稳压器的功能是把一个直流电压转换成另一个直流电压，输出电压比输入电 压高为b o o s t 型d c d c 开关稳压器，输出电压比输入电压低叫做b u c k 型d c d c 开关稳压器。v r m 主要由一个基准参考电压和一个反馈回路构成，其工作原理可 以参照图2 2 所示。图中最左侧部分是v r m 的简单结构图，v r m 检测负载端的 输出电压，并根据此电压来调整输出电流以调节输出负载电压。v r m 的反馈回路 一般在lk h z 到几百k h z 之间，在高于反馈回路带宽的频率外形成高阻使输出电 压不能得到有效的调整，从而使v r m 失效。 2 3 3 稳压器的四元素模型 图2 3 所示为b u c k 型d c d c 开关稳压器的简单原理框图，图的左边是输入 直流电压d ci n ，当研闭合时，电感器三j 存储能量，并且将电流经过电感喇 和电阻奶输送到负载。如果电感器三j 存储的能量大于负载所需要的电流，则研 断开，& 闭合，此时流经负载的电流不断减少，直到& 再次闭合，再次断开。彳 是具有频率补偿的放大器，其中标准检测负载电压接入放大器彳的正极，放大器 的负极与电感删端相连。当输出负载电压过高时，将导致研断开，& 闭合，此 时电感器的流经电流不断减小；当输出负载电压过低时，将导致研闭合，& 断开， 此时电感器的流经电流不断增大。电感器电流在电容。中积分，使电压输出变得 更加平滑。电容a 有一个等效的串联电阻r e s r 。 由于开关动作都是时间的函数，所以该稳压器是非线性的。图2 4 给出了图 2 3 所示的降压型开关稳压器的四元件线性模型【5 4 1 ，这个等效线性模型包括一个理 想的直流电压源和四个无源器件。在该线性模型中，勘表示v r m 感应点和负载之 间的等效电阻值，一般只有几毫欧。三删是v r m 的等效输出电感，它可以是连接 v r m 和系统p c b 的互连电感，也可以表示连接v r m 和芯片或功能模块电路的引 第二章电源分布网络和同时开关噪声 脚电感，一般分别为2 0 0n h 和4i l h 。k r 决定稳压器的最大有效频率。r 蜘表 示与稳压器相连接的电容器的等效串联电阻( e q u i v a l l e n ts e r i e sr e s i s t o r , e s r ) ，一般 情况下，当超过回路响应时间时，电容的大小决定了稳压器的输出阻抗，若使电 压源工作在理想状态，需要选择合适的t 咖，使线性模型中的增加电流所需的时 间恰好与实际稳压器中的增加电流需要的时间相等。 d cl n 图2 3 降压型d c d c 开关稳压器的简单原理图 疋伽 d cl n 图2 4 降压型d c d c 开关稳压器的四单元线性模型图 2 3 4 稳压器设计面临的设计难点 稳压器主要面临三方面的设计难点： ( 1 ) 第一个设计难点是当负载电流的在大范围内变化时，d c d c 变换器需要以 合理的效率向低电压负载供电。一般需要利用同步整流来保持低功耗。p o l 变换 器同时应该靠近负载，负载最后可以全部利用输出功率。这样不但可以增大p o l 变换器的效率，同时不降低消耗的功率。但是，高的转换效率会带来更小的转换 量。根据d c d c 变换器的成本和尺寸选择不同，其效率一般在8 5 9 5 之间。 ( 2 ) 第二个设计难点是优化设计稳压器的控制回路，使输出电压的瞬时波动减 , j x 至u 最低，减小负载电流的变化。以级联d c d c 变换器为例，在变换器的输入处 几乎没有加入任何滤波电路，这样下一级的d c d c 变换器不得不对上一级的变换 e b g 结构在高速p c b 电源分布网络中的应用研究 器大电压输出波动进行处理。在直流电路中，提供低输出阻抗比较简单，但随着 不断增大的频率和不断降低的回路增益，变换器的输出阻抗会不断增加。因此， 一些d c d c 变换器以牺牲带宽为代价换取在未知负载阻抗的条件下无条件稳压。 ( 3 ) 第三个设计难点是控制稳压器的电磁辐射在一定范围。由于a c d c 变换器 工作时，变换器中的a c 电流波动通常要高于自身的d c 电流，并产生高频电流脉 冲，对d c 输出电流会有较大的电磁辐射。所以当变换器紧靠高速数字电路互连和 模拟电路时，应该谨慎处理由稳压器引入到临近电路的开关噪声和辐射噪声，使 其带来的影响最小化。 2 4 去耦电容 高速数字系统中开关电路需要电流对负载进行充电，而这个电流必须由p d n 来提供。当稳压器由于p d n 输出阻抗过高而不能对电压变化做出迅速反应时，需 要其它的电源对负载供电提供电流。当稳压器的输出阻抗超过p d n 的目标阻抗时， 去耦( 或旁路) 电容器可以用来降低p d n 的实际输出阻抗。因为电容器具有储存电 荷的功能，一旦有需要电荷的时候，它们可以直接把稳压器旁路并对开关电路和 负载供电。 2 4 1 去耦电容的分类 根据去耦电容器的工作范围，将其分为低频去耦电容器、中频去耦电容器和 高频去耦电容器；根据去耦电