PCB過孔寄生特性分析及注意要點
在PCB抄板行業(yè)中,在PCB板鉆孔的費用通常是PCB制板的30%到40%的費用,而過孔是過孔(via)是多層PCB的重要組成部分之一。簡而言之就是,PCB上的每一個孔都可以稱之為過孔。
過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點,會造成信號的反射。一般過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)過過孔時阻抗會減小6歐姆(具體和過孔的尺寸,板厚也有關(guān),不是絕對減?。5^孔因為阻抗不連續(xù)而造成的反射其實是微乎其微的,其反射系數(shù)僅為:(44-50)/(44+50)=0.06,過孔產(chǎn)生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。
過孔本身存在著寄生的雜散電容,如果已知過孔在鋪地層上的阻焊區(qū)直徑為D2,過孔焊盤的直徑為D1,PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:C=1.41ε過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間,降低了電路的速度。舉例來說,對于一塊厚度為50Mil的PCB板,如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil(鉆孔直徑為10Mils),阻焊區(qū)直徑為40Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是:
這部分電容引起的上升時間變化量大致為:
從這些數(shù)值可以看出,盡管單個過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孔進行層間的切換,就會用到多個過孔,設(shè)計時就要慎重考慮。實際設(shè)計中可以通過增大過孔和鋪銅區(qū)的距離(Anti-pad)或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容。
過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的貢獻,減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的經(jīng)驗公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感:
其中L指過孔的電感,h是過孔的長度,d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用上面的例子,可以計算出過孔的電感為:
如果信號的上升時間是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候需要通過兩個過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。
通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設(shè)計中,看似簡單的過孔往往也會給電路的設(shè)計帶來很大的負面效應(yīng)。為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響,在設(shè)計中可以盡量做到:
.從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔大小。必要時可以考慮使用不同尺寸的過孔,比如對于電源或地線的過孔,可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗,而對于信號走線,則可以使用較小的過孔。當(dāng)然隨著過孔尺寸減小,相應(yīng)的成本也會增加。
?。厦嬗懻摰膬蓚€公式可以得出,使用較薄的PCB板有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。
.PCB板上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量不要使用不必要的過孔。
?。娫春偷氐墓苣_要就近打過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好??梢钥紤]并聯(lián)打多個過孔,以減少等效電感。
?。谛盘枔Q層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地過孔。
?。畬τ诿芏容^高的高速PCB板,可以考慮使用微型過孔。
PCB抄板是一種反向研究,跟PCB設(shè)計一樣存在以上問題,我們將其陳列出來,只是拋磚引玉。
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