過孔的寄生電容和電感

admin @ 2014-03-26 , reply:0

一、過孔的寄生電容和電感
    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,板基材介電常數為ε,則過孔的寄生電容大小近似於:
C=1.41εTD1/(D2-D1)
    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,對於一塊厚度為50Mil的PCB板,如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil(鑽孔直徑為10Mils),阻焊區直徑為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:
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF
    這部分電容引起的上升時間變化量大致為:
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
    從這些數值可以看出,儘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,設計時就要慎重考慮。實際設計中可以通過增大過孔和鋪銅區的距離(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,在高速數字電路的設計中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大於寄生電容的影響。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻,減弱整個電源系統的濾波效用。我們可以用下面的經驗公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感:
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
    其中L指過孔的電感,h是過孔的長度,d是中心鑽孔的直徑。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。仍然採用上面的例子,可以計算出過孔的電感為:
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
    如果信號的上升時間是1ns,那麼其等效阻抗大小為: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。

二、如何使用過孔
通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設計中,看似簡單的過孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響,在設計中可以盡量做到:
1.從成本和信號質量兩方面考慮,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,比如對於電源或地線的過孔,可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗,而對於信號走線,則可以使用較小的過孔。當然隨著過孔尺寸減小,相應的成本也會增加。
2.上面討論的兩個公式可以得出,使用較薄的PCB板有利於減小過孔的兩種寄生參數。
3.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。
4.電源和地的管腳要就近打過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好。可以考慮並聯打多個過孔,以減少等效電感。
5.在信號換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迴路。甚至可以在PCB板上放置一些多餘的接地過孔。
6.對於密度較高的高速PCB板,可以考慮使用微型過孔。




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