高速PCB中過孔引起的同步開關噪聲抑制研究

劉永勤

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

高速PCB中過孔引起的同步開關噪聲抑制研究

劉永勤

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

高速PCB中，由于過孔數量較多導致信號產生嚴重畸變.文章首先分析了過孔對高速信號質量的影響，然后通過在過孔周圍添加去耦電容器來抑制同步開關噪聲(SSN).結果表明，在過孔周圍添加去耦電容器可以有效地減小同步開關噪聲，使得信號波動峰值減小，提高了信號質量.

過孔;去耦電容器;同步開關噪聲

0 引言

隨著數字系統向更高速度和更低功率的趨勢發展，電源地平面上的同步開關噪聲(SSN)已經成為高速設計的主要瓶頸之一［1-2］.由于SSN主要通過PDN傳播，尤其是電源/地平面.因此，在PDN的設計中，除了必須保證前面討論的功率的及時傳輸外，恰當管理PDN上的SSN以使整個電子系統更可靠地工作也是PDN設計的重要任務之一.尤其是在高速高密度的互連系統中，SSN非常嚴重，如果不加以有效的控制，會嚴重影響系統中噪聲敏感的數字和模擬電路，如數模/模數變換器、鎖相環、RF/模擬電路等.此外，SSN也會導致嚴重的EMI，干擾其它電子設備以及使電子產品本身不能通過電磁兼容測試.

1 去耦電容器抑制噪聲原理

電源/地平面具有良好的傳導特性和天然的諧振特性，它是系統中最重要的噪聲源和傳播路徑.所有的過孔都穿過電源/地平面，電源/地平面組成了所有這些信號過孔的公用返回路徑.由于公用電源/地平面的過孔數量大，使得各種豐富的噪聲注入到電源/地平面之間［3］.SSN主要通過PDN傳播，尤其是電源/地平面.

在電源/地平面之間，噪聲可以來源于IC器件引腳的功率汲取，也可以來源于通過過孔切換的高速數字信號.對后者而言，電源/地平面的功能已從功率傳輸轉化為提供低阻抗的返回路徑，因此此時對于信號電流而言電源/地平面充當了所有過孔的返回路徑，此時，對于過孔而言，電源/地平面的功能已經截然不同，它變成為不傳輸功率只提供返回路徑的無源網絡.提高過孔的信號傳輸質量和減小注入到PDN的噪聲是相輔相成的.如果我們能減小過孔帶來的回路阻抗不連續，就能提高過孔的信號傳輸質量.同時，減小了過孔返回路徑的阻抗不連續，就能減小過孔返回電流在電源/地平面之間的噪聲電壓，進而減小經由電源/地平面造成的潛在噪聲耦合.

減小過孔產生的電源噪聲，就必須為過孔設計一條低阻抗的返回路徑.所以，過孔噪聲抑制與PDN的頻域設計是相通的，都是要獲得低阻抗電源/地平面(即平面PDN).因此，通過在過孔附近添加去耦電容器，能夠達到減小過孔返回路徑阻抗不連續的效果［4］.由于過孔切換而產生的返回電流選擇阻抗較低的去耦電容器從本地返回，只有少量的返回電流從平面的其它地方返回，從而達到了噪聲抑制的目的.

在去耦電容器的選擇上，DC直流通路由VRM提供，低頻交流通路由低頻體電容器提供，而高頻低阻抗由過孔附近的高頻SMT電容器提供.返回路徑的質量可以通過分析過孔對應處輸入阻抗的頻率特性來準確判斷.在設計PDN時，高頻去耦電容器是緊鄰電源/地過孔放置的，并不是所有其他信號過孔都能有效使用這些為PDN提供功率而設計的高頻去耦電容器.因此，還必須有意識地為高速信號過孔添加本地去耦電容器以提供本地信號的高頻電流通路［5］.在高速設計中，對于關鍵的高速信號過孔，都會在其附近添加去耦電容器以達到提高過孔傳輸質量的效果，這樣做也就減小了過孔注入到電源/地平面的噪聲.

2 去耦電容器抑制噪聲分析

仿真板選用8in×2in，四層板子結構如圖1所示，線寬為5.64mil，每根線的特性阻抗約為50Ω，平面并列排列13根線，線間距離為50mil，線間串擾可以考慮不計.過孔連接第一層金屬和第二層金屬，通孔內徑6mil，焊盤直徑10mil，反焊盤直徑14mil.仿真采用三種結構(圖2)：(1)金屬線只在第一層，沒有過孔;(2)有過孔連接第一層和第四層金屬;(3)在過孔附近添加去耦電容，添加模式如圖3所示，所加去耦電容：C=47nF，ESL=0.9nH，ESR=0.844Ω.

每個仿真中13根線同時開關，所以我們給13根線加相同的激勵源，所加激勵：周期脈沖，上升時間Tr是300ps，下降時間Tf是300ps，Pulse width=0.5ns，周期1.5ns.觀測不同模式下每條線近端和遠端波形以及整個板子SSN仿真結果.圖4是仿真板SSN測試結果，從結果可以看出，同時開關多根信號經過過孔會使板子電源/地電壓產生較大的波動，在過孔周圍添加去耦電容可以有效的減小SSN，使得信號波動峰值減小至原來的25%.圖5是三種結構源端和遠端的波形，從結果同樣可以看出，過孔使得信號嚴重畸變，去耦電容可以最大程度地減小這種影響，提高信號質量.

3 結論

在高速PCB設計中，電源/地平面上的同步開關噪聲(SSN)已經成為高速設計的主要瓶頸之一.由于公用電源/地平面的過孔數量大，使得各種豐富的噪聲注入到電源/地平面之間.本文分析了過孔對同步開關噪聲的影響，并通過在過孔周圍添加去耦電容器來抑制同步開關噪聲，結果表明，在過孔周圍添加去耦電容器可以有效減小同步開關噪聲，使得信號波動峰值減小，提高了信號質量.

［1］Madhavan Swaminathan，A.Ege Engin.芯片與系統的電源完整性建模與設計［M］.李玉山，張木水，譯.北京：電子工業出版社，2010.101-104.

［2］Bogatin，Eric.Signal and power integrity-simplified，2nd ed［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2010.321-325.

［3］J.Zhao，Q.lun Chen，A new methodology for simultaneous switching noise simulation［J］.Proceedings of the Electrical Performance of Electronic Packaging，2000，155-158.

［4］B.Beker，D.Wallac.A methodology for optimal value selection of decoupling components for power delivery systems of highperformance ASICs［C］.Montery：A cademic Publishers，2002，195-198.

［5］J.M.Hobbs，H.Windlass，V.Sundaram，etal.Simultaneous switching noise suppression for high speed systems using embedded decoupling［J］.Proc.Electron.Comon.Technol.Conf，2001，339-343.

The Study of the Simultaneous Switching Noise Suppression Caused by Vias in High-speed Printed Circuit Boards

LIU Yong-qin
(School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Teachers University，Weinan 714000，China)

In high-speed Printed Circuit Boards，due to the large number of vias leading to serious distortion of the signal.The effects of the vias on the high-speed signals was analyzed firstly，and then the signal quality was analyzed after adding decoupling capacitors around the vias.The results show that adding decoupling capacitors around the vias can effectively reduce the simultaneous switching noise(SSN)，besides，the peak fluctuations of signals can be reduced and the signal quality is improved.

vias;decoupling capacitors;simultaneous switching noise(SSN)

TN86

A

1009—5128(2011)12—0042—04

2011—06—28

陜西省教育廳科研計劃項目(11JK0936)

劉永勤(1981—)，男，甘肅靜寧人，渭南師范學院物理與電氣工程學院講師，電路與系統專業碩士.研究方向：高速互連設計中的信號完整性分析.

［責任編輯 孫廣才］