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《FPGA全程进阶---实战演练》第三章之PCB设计之过孔
2017-10-10 12:29:21 】 浏览:4250
Tags:FPGA 全程 进阶 --- 实战 演练 第三章 PCB 设计

        在画电路板时,往往需要过孔来切换层之间的信号。在PCB设计时,过孔的选择有盲孔,埋孔,通孔。如图3.1所示。盲孔是在表面或者底面打通到内层面,但不打穿,埋孔是在内层面之间的孔,不在表面和底面漏出;通孔是贯穿于表面到底面。处于成本以及加工难易程度的考虑,选择通孔较多。

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图3.1 过孔类型

       1.低频的时候,过孔不会对信号产生影响,那么对于高频,过孔就不能简单看成是信号的连接,必须考虑信号的完整性分析。我们都知道,过孔的存在会产生寄生电容和寄生电感的影响,过孔的寄生电容会影响延长信号的上升时间,降低电路的速度。而寄生电感会削弱旁路电容的贡献,削弱整个电源系统的滤波作用。所以需要格外注意信号完整性问题。

       2.每个过孔寄生电容计算公式为:C =1.41εTD1/(D2-D1);其中,过孔在铺地层上的反焊盘直径为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,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,电容值越小则影响越小,那么对应着公式,似乎只能去增大D2和D1的差值,减小D1的值。也就是说可以增大反焊盘直径,减小过孔焊盘直径,可以减小阻抗不连续程度。

       过孔本身就存在寄生电感,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。过孔的寄生串联电感会削弱旁路电容的作用,减弱整个电源系统的滤波效用。每个过孔的寄生电感计算公式为: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,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。

       3.在高速、高频电路设计中,阻抗不连续处阻抗变化一般需控制在±10%范围,否则会引起信号失真。所以信号的过孔不要过大,可以选择10/20(mil);

    (1)选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的PCB 设计来说,选用0.25mm/0.51mm/0.91mm(钻孔/ 焊盘/ POWER 隔离区)的过孔较好;对于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的过孔,也可以尝试非穿导孔;对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗;
    (2)POWER隔离区越大越好;
    (3)PCB上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量减少过孔;
    (4)使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数;
    (5)电源和地的管脚要就近做过孔,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,以减少阻抗;
    (6)在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔,以便为信号提供短距离回路。

       图3.2所示接地过孔情况。对于接地过孔,是信号在两点之间的某个地方经过一个过孔到另一层,此时若没有提供地平面之间的连接,返回信号电流将无法跳跃,此时路径包括的电感量势必要比原来有所增加,这不仅会产生更多的辐射,还将产生更多的串扰。所以在过孔周围增加一些接地过孔,可以为信号的电流提供返回路径,并在信号过孔和接地过孔之间形成一个电感回路,使得信号质量得到改善。

       接地过孔不但能减小阻抗不连续外,还可以避免寄生电容引起的信号延迟现象,还可以减小孔引起的损耗。考虑制作成本和信号完整性,接地过孔可以为2个。

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图3.2 接地过孔

       4.在普通PCB 设计中,过孔的寄生电容和寄生电感对PCB 设计的影响较小,对1-4层PCB 设计,一般选用0.36mm/0.61mm/1.02mm(钻孔/ 焊盘/POWER 隔离区)的过孔较好,一些特殊要求的信号线(如电源线、地线、时钟线等)可选用0.41mm/0.81mm/1.32mm 的过孔,也可根据实际选用其余尺寸的过孔。


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