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过孔的寄生电容和电感,如何使用过孔

  • 2019-09-11 00:00
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    过孔本身存在着寄生的杂散电容,如果已知过孔在铺地层上的阻焊区直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似为C=1.41εTD1/(D2-D1)

    过孔的寄生电容给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间,降低了电路的速度。举例来说,对于一块厚度为50mil的PCB,如果使用的过孔焊盘直径为20mil(钻孔直径为10mil),阻焊区直径为40mil,则可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容为


    C=1.41*4.4*0.050*0.020*/(0.040-0.020)≈0.31pF

    这部分电容引起的上升时间变化量大致为


    T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps


    从这些数值可以看出,尽管单个过孔的寄生电容引起的上升沿变缓的效用不是很明显,但是如果布线中多次使用过孔进行层间的切换,就会用到多个过孔,设计时就要慎重考虑。实际设计中可以通过増大过孔和覆铜区的距离( Anti-pad)或减小悍盘的直径来减小寄生电容。

过孔在存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。可以用下面的经验公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:


    L=5.08h[1n(4h/d)+1]

    式中,L为过孔的长度,h为过孔的长度,d为中心钻孔的直径。从式中可以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而对电感的影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为L=5.08*0.050*[1n(4*0.050/0.010)+1]≈1.015nH

    如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为XL=πL/T10-90≈3.19Ω.这样的阻抗在有高频电流通过时已经不能够被忽略。

    注意:

    旁路电容在链接电源层和地层时需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。


    如何使用过孔,为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中应尽量做到以下6点。

    通过上面对过孔寄生特性的分析可以看到,在高速PCB设计中,看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中应尽量做到以下6点。

    从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔。必要时可以考虑使用不同尺寸的过孔。例如,对于电源或地线的过孔,可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗;而对于信号布线,则可以使用较小的过孔。当然随着过孔尺寸减小,相应的成本也会増加。

    使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数。

    PCB上的信号布线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。

    电源和地的引脚要就近打过孔,过孔和引脚之间的引线越短越好。可以考虑并联打多个过孔,以减小等效电感。

    在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB上放置一些多余的接地过孔。

    对于密度较高的高速PCB,可以考虑使用微型过孔。