This paper presents the design, analysis and modeling of an electromagnetic band-gap (EBG) power distribution network (PDN) for broadband power noise mitigation and EMI reduction. A 2-D distributed equivalent circuit model, which is based on physical structure, is proposed for simple, accurate, and fast analysis of the electrical behavior of the EBG PDNs. The proposed model features an equation-based calculation of circuit parameter values, the expandability of the model according to the target frequency, and compatibility with the transmission line matrix (TLM) method. The experimental validation of the proposed model used Z-parameters for the full and partial EBG PDNs. The proposed model provides an accurate and efficient approach for analysis of the EBG PDN up to the frequency of interest with expandable model features. Subsequently, the power/ground cavity resonance modes in the EBG PDN are characterized by analytical solutions using the EBG cavity mode equation.
We propose and experimentally demonstrate the great advantages of a high dielectric constant thin film EBG power distribution network (PDN) for the suppression of power/ground noises and radiated emissions in high-performance multi-layer digital PCBs. Five-layer test PCBs were fabricated and their scattering parameters measured. The power plane noise and radiated emissions were measured, investigated and related to the PDN impedance. This successfully demonstrated that the band-gap of the EBG was extended more than three times, covering a range of hundreds of MHz using a 1 cm x 1 cm EBG cell, the SSN was reduced from 170 mV to 10 mV and the radiated emission was suppressed by 22 dB because of the high dielectric constant thin film EBG power/ground network.
In addition, this paper presents the design and analysis of a partial electromagnetic band-gap (EBG) power distribution network (PDN) using a remnant of the signal layer in a multilayer printed circuit board (PCB). A partial EBG PDN is embodied in a conventional four-layer stack-up PCB without any additional layer, and the effect of the proposed method on signal transmission quality and power plane noise mitigation is investigated experimentally. It is shown that the proposed method provides an improved signal return current path, resulting in better signal transmission and higher voltage margin than conventional methods. In addition, the method enables lower power noise generation and better noise isolation.
현재 고성능 디지털 시스템에서의 클락 동작 주파수와 데이터의 주파수 성분들은 기가헤르쯔(GHz) 영역까지 올라가고 있다. 또한 디지털 핵심 회로나 입출력을 하기 위한 전원의 커런트(current) 양은 수십 암페어(ampere)에 이르고 있으며 계속하여 증가하고 있다. 하지만, 디지털 시스템에 공급되는 전압의 크기는 점차 감소하여 소모 전력 증가와 함께 증가하는 전력접지망 잡음으로부터 필요한 잡음 마진에 확보가 점점 어려워지고 있는 추세이다. 따라서, 고성능 디지털 시스템에서의 광대역 전력접지망 잡음 억제가 기존 기술로서의 대처가 어려워짐에 따라 이를 극복하기 위한 기술이 필요하게 되었다. 최근 이러한 문제에 대처하기 위한 기술로 일종의 Band Stop Filter 구조인 Electromagnetic Bandgap (EBG) 구조를 활용한 전력접지망 설계 기술이 제안되었고 다층 기판에서의 전력접지망 잡음 억제에 효과적임이 증명되었다.
이 논문에서는 광대역 전력접지망 잡음과 전자파 방사 억제를 위하여 제안된 EBG 구조 전력접지망에 설계, 분석 및 모델링에 대한 내용을 다루고 있다. EBG 구조 전력접지망의 빠른 해석을 위한 이차원 구조 등가 모델을 물리적 구조를 바탕으로 제안하였다. 제안된 모델은 구조 및 물질 파라미터들로부터 등가 회로값들을 추출하여 정확히 EBG 구조 전력접지망의 전기적 특성을 예측할 수 있도록 하였고 실험적으로 모델의 정확성을 입증하였다. 또한 일반 전력접지망 해석을 위해 제안된 Transmission Line Method (TLM) 모델과 연계가능 하도록 하여 부분적 EBG 구조 전력접지망도 해석이 가능하도록 설계되었다. 주파수 증가에 따른 모델에 정확도를 향상시키기 위한 방법으로 다중셀 모델링 방법을 사용하였다. 제안된 모델을 바탕으로 EBG 구조 전력접지망내에서 발생하는 공동 공진 모드 (Cavity Resonance Mode)를 해석하고 구조 파라미터들로부터 이를 예측할 수 있는 방정식을 제안하였다.
또한 기존 EBG 구조 전력접지망에 최대 단점인 좁은 동작 주파수 대역과 기판 층수 증가를 극복하기 위한 기술로 고유전율 초박막 필름을 사용한 광대역 밴드갭 EBG 구조 전력접지망과 신호층을 활용한 부분적 EBG 구조 전력접지망 설계 방법을 제안하였다. 제안된 고유전율 초박막 필름을 사용한 광대역 밴드갭 EBG 구조 전력접지망로부터 잡음 억제 동작 주파수 대역이 수백메가 헤르쯔 대역으로부터 수기가 헤르쯔 대역에 이르기까지 3배 이상 증가함을 실험적으로 증명하였고 이로부터 전력접지망 잡음 및 전자파 방사가 효과적으로 감소됨을 실험적으로 증명하였다. 또한 신호층을 활용한 부분적 EBG 구조 전력망 설계를 통하여 일반 다층 기판에서 기판 층수의 증가없이 EBG 구조 전력접지망을 구현하여 효과적으로 전력접지망 잡음 감소와 클락 및 데이터 신호의 신호충실성을 향상 시킬 수 있음을 실험적으로 증명하였다.
