过孔的寄生电容和电感及如何使用过孔

中信华

　　过孔的寄生电容和电感及如何使用过孔

　　过孔本身存在着寄生的杂散电容，如果已知过孔在铺地层上的阻焊区直径为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，则过孔的寄生电容大小近似为C=1.41εTD1/（D2-D1）
　　过孔的寄生电容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。举例来说，对于一块厚度为50mil的PCB，如果使用的过孔焊盘直径为20mil（钻孔直径为10mil），阻焊区直径为40mil，则可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容为
　　C=1.41*4.4*0.050*0.020*/（0.040-0.020）≈0.31pF
　　这部分电容引起的上升时间变化量大致为T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
　　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沿变缓的效用不是很明显，但是如果布线中多次使用过孔进行层间的切换，就会用到多个过孔，设计时就要慎重考虑。实际设计中可以通过増大过孔和覆铜区的距离（ Anti-pad)或减小悍盘的直径来减小寄生电容。
　　过孔在存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。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。可以用下面的经验公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:
　　L=5.08h[1n（4h/d）+1]式中，L为过孔的长度，h为过孔的长度，d为中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感的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*[1n（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/T10-90≈3.19Ω.这样的阻抗在有高频电流通过时已经不能够被忽略。

　　注意：旁路电容在链接电源层和地层时需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
　　通过上面对过孔寄生特性的分析可以看到，在高速pcb设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中应尽量做到以下6点。
　　1.从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔。必要时可以考虑使用不同尺寸的过孔。例如，对于电源或地线的过孔，可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗；而对于信号布线，则可以使用较小的过孔。当然随着过孔尺寸减小，相应的成本也会増加。
　　2.使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数。
　　3.PCB上的信号布线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
　　4.电源和地的引脚要就近打过孔，过孔和引脚之间的引线越短越好。可以考虑并联打多个过孔，以减小等效电感。
　　5.在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB上放置一些多余的接地过孔。
　　6.对于密度较高的高速PCB,可以考虑使用微型过孔。