《FPGA全程进阶---实战演练》第三章之PCB设计之过孔

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。

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。

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。