PCB过孔寄生特性分析及注意要点

2013年9月30日 22:31
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在PCB抄板行业中,在PCB板钻孔的费用通常是PCB制板的30%到40%的费用,而过孔是过孔(via)是多层PCB的重要组成部分之一。简而言之就是,PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。
 过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点,会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低12%左右,比如50欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小6欧姆(具体和过孔的尺寸,板厚也有关,不是绝对减小)。但过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的,其反射系数仅为:(44-50)/(44+50)=0.06,过孔产生的问题更多的集中于寄生电容和电感的影响。
 
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板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:C=1.41ε过孔的寄生电容会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板,如果使用的过孔焊盘直径为20Mil(钻孔直径为10Mils),阻焊区直径为40Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是:
 
这部分电容引起的上升时间变化量大致为:
 
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延变缓的效用不是很明显,但是如果走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增大过孔和铺铜区的距离(Anti-pad)或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。
 
过孔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。我们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:
 
其中L指过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心钻孔的直径。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:
 
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的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
 
通过上面对过孔寄生特性的分析,我们可以看到,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,在设计中可以尽量做到:
  
.从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。必要时可以考虑使用不同尺寸的过孔,比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,而对于信号走线,则可以使用较小的过孔。当然随着过孔尺寸减小,相应的成本也会增加。
.上面讨论的两个公式可以得出,使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。
.PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
.电源和地的管脚要就近打过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好。可以考虑并联打多个过孔,以减少等效电感。
.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板上放置一些多余的接地过孔。
.对于密度较高的高速PCB板,可以考虑使用微型过孔。

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