高速差分走线过孔EMC特性研究

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在一个高速印刷电路板 （PCB） 中，通孔在降低信号完整性性能方面一直饱受诟病。然而，过孔的使用是不可避免的。在标准的电路板上，元器件被放置在顶层，而差分对的走线在内层。内层的电磁辐射和对与对之间的串扰较低。必须使用过孔将电路板平面上的组件与内层相连。

幸运的是，可设计出一种透明的过孔来最大限度地减少对性能的影响。在这篇博客中，我将讨论以下内容：

　　过孔的基本元件

　　过孔的电气属性

　　一个构建透明过孔的方法

　　差分过孔结构的测试结果

1. 过孔结构的基础知识

　　让我们从检查简单过孔中将顶部传输线与内层相连的元件开始。图1是显示过孔结构的3D图。有四个基本元件：信号过孔、过孔残桩、过孔焊盘和隔离盘。

　　过孔是镀在电路板顶层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔上未使用的部分。过孔焊盘是圆环状垫片，它们将过孔连接至顶部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙，以防止到电源和接地层的短路。

过孔分层-单个过孔的3D图

　2. 过孔元件的电气属性

　　如下表所示，我们来仔细看一看每个过孔元件的电气属性。

过孔元件的电气属性

　一个简单过孔是一系列的π型网络，它由两个相邻层内构成的电容-电感-电容 （C-L-C） 元件组成。如下表显示的是过孔尺寸的影响。

过孔尺寸的直观影响

　　通过平衡电感与寄生电容的大小，可以设计出与传输线具有相同特性阻抗的过孔，从而变得不会对电路板运行产生特别的影响。还没有简单的公式可以在过孔尺寸与C和L元件之间进行转换。3D电磁 （EM） 场解算程序可以根据PCB布局布线中使用的尺寸来预测结构阻抗。通过重复调整结构尺寸和运行3D仿真，可优化过孔尺寸，来实现所需阻抗和带宽要求。

　3. 设计一个透明的差分过孔

　　我们曾在之前的帖子中讨论过，在实现差分对时，线路A与线路B之间必须高度对称。这些对在同一层内走线，如果需要一个过孔，必须在两条线路的临近位置上打孔。由于差分对的两个过孔距离很近，两个过孔共用的一个椭圆形隔离盘能够减少寄生电容，而不是使用两个单独的隔离盘。接地过孔也被放置在每个过孔的旁边，这样的话，它们就能够为A和B过孔提供接地返回路径。

　　如下图显示的是一个地-信号-信号-地 （GSSG） 差分过孔结构示例。两个相邻过孔间的距离被称为过孔间距。过孔间距越小，互耦合电容越多。

使用背面钻孔的GSSG差分过孔

不要忘记，在传输速率超过10Gbps时，过孔残桩会严重影响高速信号完整性。幸运的是，有一种背面钻孔PCB制造工艺，此工艺可以在未使用的过孔圆柱上钻孔。根据制造工艺公差的不同，背面钻孔去除了未使用的过孔金属，并最大限度地将过孔残桩减少到10mil以下。

　　3D EM仿真器用来根据所需的阻抗和带宽来设计差分过孔。这是一个反复的过程。此过程重复地调整过孔尺寸，并运行EM仿真，直到实现所需的阻抗和带宽。

1)过孔中心距的变化对差分信号与共模信号的信号完整性影响是不同的。总体来说，对于差分信号，过孔中心距过大或过小均会对信号完整性产生不利影响。对于共模信号，过孔中心距增大对信号完整性有一定的提升。

2)反焊盘直径变化对差分信号与共模信号的信号完整性影响是不同的。总体来说，对于差分信号，反焊盘直径过大或过小均会对其信号完整性产生不利影响;对于共模信号，反焊盘直径的变化对共模信号的信号完整性的影响是比较小的，其影响在可接受的范围之内。

3)地过孔数量对差分信号与共模信号的信号完整性影响也是不同的。总体来说，无地过孔，单地过孔以及双地过孔均会依次提高差分信号与共模信号的信号完整性，尤其对共模信号的信号完整性的提升更为显著。

以上结论为差分过孔设计及其高频特性影响分析提供了一定依据，对于高速 PCB 中差分过孔设计具有一定的指导意义。

出处：《电子测量与仪器学报》