过孔的寄生电容和电感

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一、过孔的寄生电容和电感


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板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：

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。举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用的过孔焊盘直径为20Mil（钻孔直径为10Mils），阻焊区直径为40Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：

C=1.41x4.4x0.050x0.020/(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增大过孔和铺铜区的距离（Anti-pad）或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。

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。我们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[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=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+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的通过已经不能够被忽略，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。


二、如何使用过孔


通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，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，在设计中可以尽量做到：

1．从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。必要时可以考虑使用不同尺寸的过孔，比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，而对于信号走线，则可以使用较小的过孔。当然随着过孔尺寸减小，相应的成本也会增加。

2．上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。

3．PCB板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。可以考虑并联打多个过孔，以减少等效电感。

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板上放置一些多余的接地过孔。

6．对于密度较高的高速PCB板，可以考虑使用微型过孔。