2023 02月18日
作者: 小白哥
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高速电路中过孔研究

高速通道中如果存在阻抗不连续点,会引起传输线上信号产生反射,还可能会干扰电路的其他性能。例如,在信号完整性的串扰分析中,噪声耦合到临近的传输线上。倘若临近线上有多处点的阻抗不连续点,串扰的噪声也会反复震荡叠加,最终可能会产生更大的噪声。可见,在具体电路设计时应给予阻抗连续性问题以足够重视。

当传输线线宽发生变化会产生阻抗突变。线宽的变化通常有几种形式:

1.互连线需要将线宽减小以便进入到比较密集的BGA封装下面;

2.串联在互连线上的电阻焊盘、电容焊盘、芯片封装引脚焊盘等的宽度通常都要大于互连线的线宽,所以在相连位置会使得阻抗下降。

3.与互连线靠近的一些导体,也会使局部区域的互连线阻抗变小。

在传输线中很多因素都会导致互连线阻抗发生变化,而PCB板上的过孔就是一个重要的因素。

1.过孔结构

多层PCB板设计,在布局布线过程中必然涉及到过孔的设计。根据工艺的不同将过孔分为三种类型:盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔 (through via)。过孔属于PCB板上的一类重要的阻抗不连续点,通常情况下,板上过孔的等效阻抗要比传输线阻抗低12%,也即当50欧姆的传输线穿过过孔时,就会产生6欧姆的阻抗下降。当然,过孔等效阻抗会受到很多因素的影响:焊盘直径、反焊盘直径、有无非功能焊盘、过孔残桩长度等。实际上,上述的这类问题的出现是由于过孔上寄生电感和电容的影响。过孔一般结构如下图所示。

2.png

2.过孔等效模型

过孔能够用LC模型进行等效,如下图所示。从图中可以看出,它是一个比较简单的π模型,图中电容表示第一、二层间过孔焊盘的电容值,过孔孔壁的特性可以用图中的串联电感近似。当然这个模型的建立是基于过孔结构比较小的缘故,因此可以近似用集总参数模型进行代替。过孔的这种电容效应会减缓信号的边沿速率,这种电容效应会随着经过过孔的增加而增强。

1.png

2.1寄生电容效应

从上面对于过孔寄生电容的感性分析可以知道,这种电容效应会影响信号的边沿速率,也会使特性阻抗发生变化。将过孔的反焊盘直径设为D2,焊盘直径为D1,PCB板厚度为T,板的介电常数为ε,过孔的等效电容值可以用数学表达式近似为:

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由上式可以知道,当分母中过孔焊盘与反焊盘直径比较接近时,会使得整个式子值变大,即寄生电容值变大。假设有厚度为60mils 的电路板,板上过孔内径为10mils,焊盘的直径为20mils,焊盘与地层隔离孔的距离为32mils,板间的介电常数可以取值为4.3(一般取3.9到5.3),计算后寄生电容约为0.517pF。倘若传输线特性阻抗值为50欧姆,由于过孔的寄生电容效应,就会对信号上升时间引起变化:

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由上式计算的结果可知,寄生电容会使得电路板上的信号产生大约31.28ps的变化量。对于高速电路而言,这个变化量已经足够引起工程师的注意。倘若在走线中信号线通过了多个过孔,这样一来总的延时就会变得更加难以估计,最终影响到系统的设计。

2.2寄生电感效应

寄生电容会对电路特性造成很大危害,然而过孔的寄生电感比电容的影响更加明显。通常在电路板设计时,一个串联的寄生电感通常会削弱旁路电容的作用。将寄生电感的值设为L,过孔长度设为h,过孔中心直径设为d,类似于寄生电容,也可以列出寄生电感的近似表达式:

5.png

由上式可以看出,寄生电感主要受过孔的长度h的影响,相对而言过孔直径对其影响要小得多。由寄生电容中的测量值可以计算出,过孔的寄生电感值约为1.015nH,将信号上升时间取为1ns时,过孔等效阻抗值约为:

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在高频电路中,若有高频的电流通过过孔,那么3.19欧姆大小的等效阻抗就会产生很大的电压变化。

3.过孔设计原则

在PCB板的设计过程中,工程师们总是希望将过孔孔径设计得越小越好,这样不但可以为电路板节约很多空间,而且更容易布局布线。而且随着过孔变小其自身的寄生效应也会减弱,这对于高速电路而言是十分有益的。但是,随着过孔的减小,相应的成本会变高,而且钻孔和电镀工艺都是有规格限制的,过孔的尺寸也不可能无限的减小。随着孔径的减小,钻孔极容易偏离位置,而且打孔所需要的时间也会增加。总之,过孔设计要综合多种因素进行设计,大体需要遵循以下的原则:

1.电路中只要有过孔的存在就必然存在寄生的电感电容,所以在系统需求满足的情况下应该尽量减少过孔的数量,这样较少寄生效应。

2.在电路板上过孔通过的电流量大小与过孔尺寸直接相关,电流量越大所需的过孔尺寸就越大。因此,在设计时要保证与电源、地连接的过孔尺寸大一些。

3.在高速电路板设计时,在工艺与成本满足的前提下,尽量用埋孔和盲孔技术代替其他方式。

一般过孔都主要用于多层PCB板,当信号高速传输时,由于过孔寄生效应产生的电感和电容大约分别为1~4nH、0.3~0.5pF。对于并行的传输线被列在了彼此不同的层,为了保持一致尽量让两者过孔数量保持一致。

4.需要合理分配过孔的尺寸,一般对于6-10层PCB板,选用10/20Mil的过孔;而对于电路板尺寸较小的情况,可以用8/18Mil过孔。

5.适当地减小PCB板的厚度也会减小过孔的寄生效应。

6.合理布局布线,板上的信号线应该优化分配,尽量不换层,以此来减少所需的过孔数量。

7.当对电源和地管脚设计时,尽量缩短过孔与管脚之间的引线,从而较小寄生电感。



  

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