過孔的寄生電容和電感及如何使用過孔

中信華

　　過孔的寄生電容和電感及如何使用過孔

　　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為C=1.41εTD1/（D2-D1）
　　過孔的寄生電容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，如果使用的過孔焊盤直徑為20mil（鉆孔直徑為10mil），阻焊區(qū)直徑為40mil，則可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容為
　　C=1.41*4.4*0.050*0.020*/（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(shù)值可以看出，盡管單個過孔的寄生電容引起的上升沿變緩的效用不是很明顯，但是如果布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増大過孔和覆銅區(qū)的距離（ Anti-pad)或減小悍盤的直徑來減小寄生電容。
　　過孔在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。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:
　　L=5.08h[1n（4h/d）+1]式中，L為過孔的長度，h為過孔的長度，d為中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，過孔的直徑對電感的影響較小，而對電感的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L=5.08*0.050*[1n（4*0.050/0.010）+1]≈1.015nH
　　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通過時已經(jīng)不能夠被忽略。

　　注意：旁路電容在鏈接電源層和地層時需要通過兩個過孔，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，在設計中應盡量做到以下6點。
　　1.從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮，選擇合理尺寸的過孔。必要時可以考慮使用不同尺寸的過孔。例如，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；而對于信號布線，則可以使用較小的過孔。當然隨著過孔尺寸減小，相應的成本也會増加。
　　2.使用較薄的PCB有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。
　　3.PCB上的信號布線盡量不換層，也就是說盡量不要使用不必要的過孔。
　　4.電源和地的引腳要就近打過孔，過孔和引腳之間的引線越短越好�？梢钥紤]并聯(lián)打多個過孔，以減小等效電感。
　　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回路。甚至可以在PCB上放置一些多余的接地過孔。
　　6.對于密度較高的高速PCB,可以考慮使用微型過孔。