螺旋谐振环超宽带同步开关噪声抑制电源分配网络的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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: Simultaneous Switching Noise)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尚的性能。系统能力的提尚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。
[0003]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。
[0004]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《Improvements in noise suppress1n for I/Ocircuits using embedded planar capacitors》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；
国内外对周期性电磁带隙结构在电源分配网络中的应用与原理进行了大量研究与前期探索，制作出了多种抑制深度高、阻带宽的周期性电磁带隙结构，但电磁带隙结构的抑制能力受单元个数影响，需级联多个电磁带隙结构，实际的元器件有效摆放面积将受到电磁带隙结构位置及面积的压缩，不利于大规模复杂电路的设计，且由于周期性电磁带隙结构将破坏以其为参考平面的信号回流路径，降低信号完整性，增加辐射量，需要较高的制造工艺，成本较高，实际的工程应用范围有限。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单、全向性好、阻带宽、工程实现性强，不需对电源平面开槽，无需周期性电磁带隙结构，对同步开关噪声抑制深度高、阻带宽，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。以解决现有噪声抑制结构噪声抑制带宽不足、结构复杂、成本高、工程实现性弱的问题，同时保持良好的信号完整性。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种螺旋谐振环超宽带同步开关噪声抑制电源分配网络，包括电源平面分布结构、地平面4、蚀刻在电源平面的局域隔离结构9、位于电源平面与地平面4之间的介质层3，其特征在于，电源分配网络采用至少2层PCB结构，噪声源输入电路I和噪声敏感电路2分布在PCB结构电源平面上，局域隔离结构9分别位于电源平面结构上的噪声源输入电路与噪声敏感电路所在区域;所述局域隔离结构9上刻蚀有利用同层电源平面进行连接的螺旋谐振环，螺旋谐振环根据所述的电源平面分布结构刻蚀在电源平面上，隔离电源与地平面4间的同步开关噪声；局域隔离结构9利用螺旋谐振环自身谐振效应，结合电源平面与地平面4金属层与介质层间的耦合谐振，在噪声频率带中形成阻带，阻断同步开关噪声的传播路径，抑制表面波，对同步开关噪声进行抑制。
[0007]优选的，电源分配网络采用2层PCB结构，介质层位于电源平面与地平面4之间，介质基板材料为FR-4，相对介电常数为3.8-4.4，损耗角正切为0-0.02，介质厚度为0.2-0.4毫米，电源分配网络金属厚度为10-30微米；
优选的，电源分配网络在以_45dB为同步开关噪声抑制为标准时，可在0.13-20GHZ范围内抑制同步开关噪声；
优选的，局域隔离结构9利用螺旋谐振环自身谐振效应，结合金属层与介质层间的耦合谐振，在带频率带中形成阻带，阻断同步开关噪声的传播路径，抑制表面波，对同步开关噪声进彳丁抑制；
优选的，螺旋谐振环由正方形金属平面、正方形金属框体与金属螺旋线组成，其中，正方形金属平面嵌套在正方形金属框体内，正方形金属平面通过金属螺旋线与正方形金属框体连接；
优选的，局域隔离结构9分别位于电源平面结构上的噪声源输入电路与噪声敏感电路所在区域；
优选的，局域隔离结构9是一种微波人工合成材料，其结构具有非对称特点，当周期性排列，电场轴向入射到谐振器表面时，会产生负介电常数，形成更深的阻带深度及抑制带宽；
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
本发明针对现有电子电路系统中电源完整性与其它抑制结构噪声抑制带宽不足、噪声抑制全向性差、工艺与结构复杂、工程实现性弱的问题、采用2层PCB结构，利用局域谐振原理设计出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，其优点体现为:
结构简单、全向性好。本发明采用2层PCB结构，结构简单，全向性好，无需周期性电磁带隙结构即可进行超宽带同步开关噪声抑制，降低了工艺与结构复杂度，提高了广泛工程应用的实用性。
[0008]基本保持了电源平面的完整性。本发明采用未开槽的地平面4，完全保持了地平面的完整性，对其上放置的高速信号具有较高的信号完整性；由于地平面4保持完整，从而保持了高速信号的信号完整性，且不需周期性结构，更加节省电路板空间，工艺简单，且与其它的抑制结构相比，在相同尺寸下具备更低的下截止频率，并保持高信号完整性，在无去耦电容的情况下即可抑制电源分配网络中百赫兹频段的同步开关噪声，节约元器件数量。
[0009]本发明将局域隔离结构9分别位于电源平面结构上的噪声源输入电路与噪声敏感电路所在区域;无需对电源平面开槽、加入嵌入式电源器或摆放全局、局部去耦电容即可在超宽带范围内对同步开关噪声达到高抑制深度，降低了对元器件的使用数量，降低了传统电路板制作成本，与其它噪声抑制方法相比，简化了结构与工艺流程，降低了工程实现难度。
[0010]阻带宽、工程实现性强。本发明局域隔离结构9利用螺旋谐振环自身谐振效应，结合金属层与介质层间的耦合谐振，在带频率带中形成阻带，阻断同步开关噪声的传播路径，抑制表面波，对同步开关噪声进行抑制；具有结构简单、不需对电源平面开槽、加入嵌入式电源器或摆放全局、局部去耦电容即可在超宽带频段下达到高同步开关噪声抑制深度，且具有全向性好、工程实现性强的特点，与其它的抑制结构相比，在相同尺寸下具备更低的下截止频率，并保持高信号完整性，在无去耦电容的情况下可抑制电源分配网络中百赫兹频段的同步开关噪声。
[0011]无需周期性电磁带隙结构，对同步开关噪声抑制深度高。本发明在局域隔离结构9上刻蚀利用同层电源平面进行连接的螺旋谐振环，螺旋谐振环根据所述的电源平面分布结构刻蚀在电源平面上，隔离电源与地平面间的同步开关噪声；局域隔离结构9利用螺旋谐振环自身谐振效应，结合电源平面与地平面金属层与介质层间的耦合谐振，在噪声频率带中形成阻带，阻断同步开关噪声的传播路径，抑制表面波，对同步开关噪声进行抑制。将螺旋谐振环桥引入到电源平面/地平面金属层结构中以连接分割的平面，在提高同时开关噪声抑制能力的同时，很好地保证了信号完整性性能。在电源平面与地平面之间的垂直级联介质层结构中应用高相对介电常数介质，不仅拓宽了