PCB-Neuigkeiten - Parasitische Kapazität und Induktivität von Durchkontaktierungen

Die Via selbst hat parasitäre Streumapazitäten. Wenn bekannt ist, dass der Durchmesser der Lötmaske auf der Bodenschicht des Durchgangs D2 ist, der Durchmesser des Durchgangs D1 ist, die Dicke der Leiterplatte T ist und die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats ε ist, dann ist die parasitäre Kapazität des Durchgangs ungefähr wie folgt:

C=1.41εTD1/(D2-D1)

Der Haupteffekt der parasitären Kapazität des Durchgangs auf der Schaltung besteht darin, die Anstiegszeit des Signals zu verlängern und die Geschwindigkeit der Schaltung zu verringern. Zum Beispiel für eine Leiterplatte mit einer Dicke von 50Mil, wenn der Durchmesser des Durchgangspads 20Mil ist (der Durchmesser des Lochs 10Mils) und der Durchmesser der Lötmaske 40Mil ist, dann können wir das Durchgangsloch durch die obige Formel annähern.

C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF

Die Veränderung der Anstiegszeit, die durch diesen Teil der Kapazität verursacht wird, beträgt ungefähr:

T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps

Aus diesen Werten kann man sehen, dass, obwohl die Wirkung der Anstiegsverzögerung, die durch die parasitäre Kapazität eines einzelnen Durchgangs verursacht wird, nicht sehr offensichtlich ist, wenn das Durchgang mehrfach in der Leiterbahn zum Umschalten zwischen Schichten verwendet wird, mehrere Durchgänge verwendet werden. Das Design muss sorgfältig geprüft werden. Im eigentlichen Design kann die parasitäre Kapazität durch Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Durchgangs- und dem Kupferbereich (Anti-Pad) oder Verringerung des Durchmessers des Pads verringert werden.

Parasitische Kapazitäten existieren sowohl in Vias als auch in parasitären Induktivitäten. Bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ist der Schaden, der durch parasitäre Induktivitäten von Durchkontaktierungen verursacht wird, oft größer als der Einfluss parasitärer Kapazität. Seine parasitäre Reiheninduktivität schwächt den Beitrag des Bypass-Kondensators und schwächt die Filterwirkung des gesamten Stromsystems. Wir können die folgende empirische Formel verwenden, um einfach die parasitäre Induktivität eines Via zu berechnen:

L=5,08h[ln(4h/d)+1]

Wo L sich auf die Induktivität des Durchgangs bezieht, ist h die Länge des Durchgangs und d der Durchmesser des Mittellochs. Aus der Formel ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Durchgangs einen geringen Einfluss auf die Induktivität hat und die Länge des Durchgangs den größten Einfluss auf die Induktivität hat. Anhand des obigen Beispiels kann die Induktivität des Durchgangs wie folgt berechnet werden:

L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH

Wenn die Anstiegszeit des Signals 1ns ist, dann ist seine äquivalente Impedanz: XL=πL/T10-90=3.19Ω. Eine solche Impedanz kann nicht mehr ignoriert werden, wenn Hochfrequenzströme passieren. Besonderes Augenmerk sollte darauf gelegt werden, dass der Bypass-Kondensator beim Verbinden der Leistungsebene und der Masseebene zwei Durchgänge durchlaufen muss, damit die parasitäre Induktivität der Durchgänge exponentiell zunimmt.

Wie sind Vias anzuwenden?

Durch die obige Analyse der parasitären Eigenschaften von Durchkontaktierungen können wir sehen, dass im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design scheinbar einfache Durchkontaktierungen oft große negative Auswirkungen auf das PCB-Schaltungsdesign haben. Um die negativen Auswirkungen, die durch die parasitären Effekte der Vias verursacht werden, zu reduzieren, kann im Design Folgendes getan werden:

1.Berücksichtigen Sie sowohl Kosten als auch Signalqualität, wählen Sie eine angemessene Größe über Größe. Bei Bedarf können Sie verschiedene Durchgangsgrößen in Betracht ziehen. Beispielsweise können Sie bei Strom- oder Masseverschlüssen eine größere Größe zur Reduzierung der Impedanz in Betracht ziehen, und für Signalspuren kleinere Durchschlüsse. Wenn die Größe des Durchgangs abnimmt, steigen natürlich die entsprechenden Kosten.

2.Die beiden oben diskutierten Formeln können geschlossen werden, dass die Verwendung einer dünneren Leiterplatte vorteilhaft ist, um die beiden parasitären Parameter des Durchgangs zu reduzieren.

3.Versuchen Sie nicht, die Schichten der Signalspuren auf der Leiterplatte zu ändern, das heißt, versuchen Sie, keine unnötigen Durchkontaktierungen zu verwenden.

4.Die Pins der Stromversorgung und des Bodens sollten in der Nähe gebohrt werden, und die Leitung zwischen dem Durchgang und dem Stift sollte so kurz wie möglich sein. Erwägen Sie, mehrere Durchgänge parallel zu bohren, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren.

5.Place einige geerdete Durchkontaktierungen in der Nähe der Durchkontaktierungen der Signalwechselschicht, um den nächsten Rückweg für das Signal bereitzustellen. Sie können sogar einige redundante Masseverschlüsse auf der Leiterplatte platzieren.

6.For High-Density High-Speed PCB Boards, können Sie die Verwendung von Micro Vias in Betracht ziehen.