PCB過(guò)孔寄生特性分析及注意要點(diǎn)
在PCB抄板行業(yè)中,在PCB板鉆孔的費(fèi)用通常是PCB制板的30%到40%的費(fèi)用,而過(guò)孔是過(guò)孔(via)是多層PCB的重要組成部分之一。簡(jiǎn)而言之就是,PCB上的每一個(gè)孔都可以稱之為過(guò)孔。
過(guò)孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn),會(huì)造成信號(hào)的反射。一般過(guò)孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右,比如50歐姆的傳輸線在經(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(duì)減?。?。但過(guò)孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微的,其反射系數(shù)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)孔本身存在著寄生的雜散電容,如果已知過(guò)孔在鋪地層上的阻焊區(qū)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(shù)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(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間,降低了電路的速度。舉例來(lái)說(shuō),對(duì)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(qū)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(shù)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(shè)計(jì)時(shí)就要慎重考慮。實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過(guò)增大過(guò)孔和鋪銅區(qū)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)也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)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(xiàn),減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)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(zhǎng)度,d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出,過(guò)孔的直徑對(duì)電感的影響較小,而對(duì)電感影響最大的是過(guò)孔的長(zhǎng)度。仍然采用上面的例子,可以計(jì)算出過(guò)孔的電感為:
如果信號(hào)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(duì)過(guò)孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設(shè)計(jì)中,看似簡(jiǎn)單的過(guò)孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過(guò)孔的寄生效應(yīng)帶來(lái)的不利影響,在設(shè)計(jì)中可以盡量做到:
?。畯某杀竞托盘?hào)質(zhì)量?jī)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(duì)于電源或地線的過(guò)孔,可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗,而對(duì)于信號(hào)走線,則可以使用較小的過(guò)孔。當(dāng)然隨著過(guò)孔尺寸減小,相應(yīng)的成本也會(huì)增加。
?。厦嬗懻摰膬蓚€(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(shù)。
.PCB板上的信號(hào)走線盡量不換層,也就是說(shuō)盡量不要使用不必要的過(guò)孔。
?。娫春偷氐墓苣_要就近打過(guò)孔,過(guò)孔和管腳之間的引線越短越好。可以考慮并聯(lián)打多個(gè)過(guò)孔,以減少等效電感。
.在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地的過(guò)孔,以便為信號(hào)提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地過(guò)孔。
?。畬?duì)于密度較高的高速PCB板,可以考慮使用微型過(guò)孔。
PCB抄板是一種反向研究,跟PCB設(shè)計(jì)一樣存在以上問(wèn)題,我們將其陳列出來(lái),只是拋磚引玉。
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