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PCB抄板過(guò)孔寄生特性及設計要點(diǎn)

編輯:欣達電子   發(fā)表日期 : 2018-12-18   閱讀量:125

過(guò)孔在傳輸線(xiàn)上表現為阻抗不連續的斷點(diǎn),會(huì )造成信號的反射。一般過(guò)孔的等效阻抗比傳輸線(xiàn)低12%左右,比如50歐姆的傳輸線(xiàn)在經(jīng)過(guò)過(guò)孔時(shí)阻抗會(huì )減小6歐姆(具體和過(guò)孔的尺寸,板厚也有關(guān),不是絕對減?。?。但過(guò)孔因為阻抗不連續而造成的反射其實(shí)是微乎其微的,其反射系數僅為:(44-50)/(44+50)=0.06,過(guò)孔產(chǎn)生的問(wèn)題更多的集中于寄生電容和電感的影響。

  過(guò)孔本身存在著(zhù)寄生的雜散電容,如果已知過(guò)孔在鋪地層上的阻焊區直徑為D2,過(guò)孔焊盤(pán)的直徑為D1,PCB板的厚度為T(mén),板基材介電常數為ε,則過(guò)孔的寄生電容大小近似于:C=1.41ε過(guò)孔的寄生電容會(huì )給電路造成的主要影響是延長(cháng)了信號的上升時(shí)間,降低了電路的速度。舉例來(lái)說(shuō),對于一塊厚度為50Mil的PCB板,如果使用的過(guò)孔焊盤(pán)直徑為20Mil(鉆孔直徑為10Mils),阻焊區直徑為40Mil,則我們可以通過(guò)上面的公式近似算出過(guò)孔的寄生電容大致是:

  這部分電容引起的上升時(shí)間變化量大致為:

  從這些數值可以看出,盡管單個(gè)過(guò)孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯,但是如果走線(xiàn)中多次使用過(guò)孔進(jìn)行層間的切換,就會(huì )用到多個(gè)過(guò)孔,設計時(shí)就要慎重考慮。實(shí)際設計中可以通過(guò)增大過(guò)孔和鋪銅區的距離(Anti-pad)或者減小焊盤(pán)的直徑來(lái)減小寄生電容。

  過(guò)孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著(zhù)寄生電感,在高速數字電路的設計中,過(guò)孔的寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會(huì )削弱旁路電容的貢獻,減弱整個(gè)電源系統的濾波效用。我們可以用下面的經(jīng)驗公式來(lái)簡(jiǎn)單地計算一個(gè)過(guò)孔近似的寄生電感:

  其中L指過(guò)孔的電感,h是過(guò)孔的長(cháng)度,d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出,過(guò)孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過(guò)孔的長(cháng)度。仍然采用上面的例子,可以計算出過(guò)孔的電感為:

  如果信號的上升時(shí)間是1ns,那么其等效阻抗大小為:XL=πL/T10-90=3.19Ω。這樣的阻抗在有高頻電流的通過(guò)已經(jīng)不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時(shí)候需要通過(guò)兩個(gè)過(guò)孔,這樣過(guò)孔的寄生電感就會(huì )成倍增加。

  通過(guò)上面對過(guò)孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設計中,看似簡(jiǎn)單的過(guò)孔往往也會(huì )給電路的設計帶來(lái)很大的負面效應。為了減小過(guò)孔的寄生效應帶來(lái)的不利影響,在設計中可以盡量做到:

  ·從成本和信號質(zhì)量?jì)煞矫婵紤],選擇合理尺寸的過(guò)孔大小。必要時(shí)可以考慮使用不同尺寸的過(guò)孔,比如對于電源或地線(xiàn)的過(guò)孔,可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗,而對于信號走線(xiàn),則可以使用較小的過(guò)孔。當然隨著(zhù)過(guò)孔尺寸減小,相應的成本也會(huì )增加。

  ·上面討論的兩個(gè)公式可以得出,使用較薄的PCB板有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數。

  ·PCB板上的信號走線(xiàn)盡量不換層,也就是說(shuō)盡量不要使用不必要的過(guò)孔。

  ·電源和地的管腳要就近打過(guò)孔,過(guò)孔和管腳之間的引線(xiàn)越短越好??梢钥紤]并聯(lián)打多個(gè)過(guò)孔,以減少等效電感。