- Altium Designer 21常见问题解答500例
- 郑振宇等编著
- 943字
- 2022-05-05 21:25:20
1.78 过孔的两个寄生参数是什么,有什么影响,应该怎么消除?
过孔的两个寄生参数是寄生电容和寄生电感。
过孔本身存在对地的寄生电容,如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容近似可以用以下公式来计算:
C=1.41εTD1/(D2-D1)
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。比如,对于一块厚度为50mil的PCB,如果使用内径为10mil、焊盘直径为20mil的过孔,焊盘与地铺铜区的距离为32mil,则可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是:
C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032-0.020)≈0.517pF
这部分电容引起的上升时间变化量为T(10%~90%)=2.2C(Z0/2)=2.2×0.517×(55/2)≈31.28ps
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切换,所产生的影响还是比较大的。
过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容带来的危害。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。
用下面公式来简单计算一个过孔近似的寄生电感:
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
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:
L=5.08×0.050[ln(4×0.050/0.010)+1]≈1.015nH
如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为XL=πL≈3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流通过时已经不能够被忽略,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。
为了消除过孔寄生电容与寄生电感所带来的影响,可以采取如下措施:
(1)选择合理尺寸的过孔大小,如对6~10层的PCB设计来说,选用10/20mil(钻孔/焊盘)的过孔较好,对于一些高密度的小尺寸板子,也可以尝试使用8/18mil的过孔。
(2)使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数。
(3)PCB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。
(4)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,因为它们会导致电感的增加,同时电源和地的引线要尽可能粗,以减小阻抗。
(5)在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔,以便为信号提供最近回路,甚至可以在PCB上大量放置一些多余的接地过孔。