PCB中縫合過(guò)孔的基礎(chǔ)知識(shí)

縫合過(guò)孔是您經(jīng)?？吹降姆植荚?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB表層周圍的東西。如果正確使用敷銅，就能理想地計(jì)算出適當(dāng)?shù)倪^(guò)孔間距縫合，以便過(guò)孔陣列抑制串?dāng)_/干擾。另一種選擇是用作層間的多個(gè)并聯(lián)連接，可以提供低電阻和阻抗，因此它們可以在直流或交流中提供高電流。

在本指南中，我將介紹縫合過(guò)孔的一些標(biāo)準(zhǔn)用途以及何時(shí)應(yīng)在PCB中使用它們。PCB設(shè)計(jì)的這一領(lǐng)域在一些設(shè)計(jì)人員中可能會(huì)引起爭(zhēng)議，因?yàn)樗c敷銅有關(guān)，而大多數(shù)設(shè)計(jì)通常不需要敷銅。無(wú)論您對(duì)敷銅有何感受，縫合過(guò)孔在低頻和高頻的PCB中都有重要的用途。

PCB中縫合過(guò)孔的基礎(chǔ)知識(shí)

縫合過(guò)孔是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)：它們是周期性的過(guò)孔陣列，通常在PCB疊層上接地。通過(guò)這種方式，它們可以在多層的接地網(wǎng)之間建立連接。請(qǐng)注意，過(guò)孔陣列的一種用法涉及跨層的電源連接(見下文)。這些結(jié)構(gòu)在RF設(shè)計(jì)中也有重要用途，這有時(shí)會(huì)導(dǎo)致縫合過(guò)孔被誤用。

讓我們更詳細(xì)地看一下其中的每種用途：

典型用法：連接接地

縫合過(guò)孔的標(biāo)準(zhǔn)用法是跨多層連接接地。在多層PCB中，通常會(huì)有一個(gè)以上的銅區(qū)域被分配到同一個(gè)接地網(wǎng)?？p合過(guò)孔是一種有用的工具，可用于將這些連接到任何位置，并確保沿PCB中參考平面?zhèn)鞑サ娜魏畏祷?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流的阻抗盡可能小。

請(qǐng)注意，沒(méi)有要求使用周期性縫合過(guò)孔來(lái)跨接地進(jìn)行這些連接。地線確實(shí)需要在某處連接，而且多個(gè)連接可能更合適，以確保回流路徑容易導(dǎo)航到電源回流點(diǎn)。

通過(guò)過(guò)孔進(jìn)行層過(guò)渡

這是連接到GND的縫合過(guò)孔真正顯示其價(jià)值的一個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字電路和RF電路中的層轉(zhuǎn)換需要有清晰的接地參考，以控制信號(hào)沿PCB互連的傳播。進(jìn)行層轉(zhuǎn)換時(shí)，縫合過(guò)孔陣列中附近的過(guò)孔可以執(zhí)行與走線下方接地層相同的功能。

通常，如果您在PCB中放置縫合過(guò)孔陣列，則在通過(guò)信號(hào)過(guò)孔的層過(guò)渡附近可能會(huì)有一個(gè)縫合過(guò)孔。在某些情況下，這可能可以正常工作，而且您可能不必?fù)?dān)心過(guò)孔過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的噪聲排放或?qū)υ肼暤拿舾行浴Ｔ谛盘?hào)過(guò)孔附近存在接地縫合過(guò)孔應(yīng)該足以抑制噪聲，特別是對(duì)于慢速GPIO、I2C、UART或其他慢速數(shù)字協(xié)議(同樣適用于低頻模擬)。

這些縫合過(guò)孔在自動(dòng)應(yīng)用后恰好落在這些MISO和MOSI線附近，它們會(huì)提供足夠緊密的接地回路嗎?

對(duì)于高速數(shù)字和RF，情況有所不同，您需要在信號(hào)過(guò)孔附近有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的縫合過(guò)孔陣列。通過(guò)陣列進(jìn)行縫合的目的是為沿著縫合過(guò)孔邊緣感應(yīng)的回流提供低阻抗路徑。在這些過(guò)渡中放置縫合過(guò)孔的另一個(gè)原因是將包含此信號(hào)的電磁場(chǎng)限制在由縫合過(guò)孔界定的過(guò)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)。

此電路板的背面有一個(gè)連接器安裝，然后將信號(hào)傳輸?shù)巾攲?此處以紅色顯示)

這種情況下的噪聲抑制機(jī)制有時(shí)稱為“屏蔽”，就好像過(guò)孔可以防止電磁波耦合到受害互連中。這在某種程度上是正確的。使縫合過(guò)孔結(jié)構(gòu)靠近信號(hào)過(guò)孔，可通過(guò)兩種方式降低噪聲：

過(guò)孔區(qū)域的回路電感較低，因?yàn)檫^(guò)孔離地較近。

離地更近會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過(guò)孔/接地過(guò)孔在過(guò)孔沿途的總電容中占主導(dǎo)地位。

第二點(diǎn)等同于通過(guò)使接地層更接近信號(hào)走線來(lái)降低寄生電容。我在本文中展示了這如何減少與其他信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的寄生電容耦合，預(yù)計(jì)這里會(huì)出現(xiàn)同樣的結(jié)果。

縫合過(guò)孔和反焊盤影響過(guò)孔阻抗

在上一節(jié)中修改電容和電感的真正結(jié)果是，在層過(guò)渡中放置縫合過(guò)孔將決定過(guò)孔阻抗。一個(gè)相關(guān)的部分是反焊盤，理想情況下它應(yīng)該與縫合過(guò)孔相交，因此它們將一起修改阻抗。由于縫合過(guò)孔排列和層過(guò)渡周圍反焊盤尺寸的存在，大多數(shù)過(guò)孔阻抗計(jì)算器完全無(wú)法計(jì)算實(shí)際的過(guò)孔阻抗。

盡管穿過(guò)接地層的縫合過(guò)孔和反焊盤確實(shí)會(huì)影響阻抗，但在頻率超過(guò)約3-5GHz之前，過(guò)孔的輸入阻抗不會(huì)明顯偏離50歐姆(或約100歐姆差分)。在低頻時(shí)，無(wú)需擔(dān)心有多少縫合過(guò)孔和反焊盤尺寸會(huì)影響過(guò)孔阻抗;您很可能不會(huì)注意到任何影響，因?yàn)檫^(guò)孔在電力方面會(huì)非常短。在約5GHz以上，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)殄e(cuò)誤放置的縫合過(guò)孔和大型反焊盤將無(wú)法提供足夠的電容負(fù)載，從而導(dǎo)致阻抗達(dá)到約100歐姆的電感過(guò)孔轉(zhuǎn)換。下面顯示了一個(gè)沒(méi)有縫合過(guò)孔和大型反焊盤的過(guò)孔過(guò)渡示例的S參數(shù)。

S11圖顯示了由于缺少縫合過(guò)孔和大型反焊盤而導(dǎo)致的電容負(fù)載不足的影響，我們可以清楚地看到過(guò)孔轉(zhuǎn)換不能支持~3GHz以上的信號(hào)帶寬

在這種情況下，縫合過(guò)孔對(duì)中檔頻率下差分對(duì)電容負(fù)載的影響并不是最強(qiáng)的。當(dāng)信號(hào)過(guò)孔間距較大時(shí)，縫合過(guò)孔對(duì)信號(hào)過(guò)孔阻抗的影響較大。當(dāng)信號(hào)過(guò)孔靠得更近時(shí)，反焊盤是過(guò)孔阻抗的更大決定因素。當(dāng)信號(hào)過(guò)孔互相靠近并且反焊盤較小時(shí)，您可能不會(huì)注意到縫合過(guò)孔的任何影響。

縫合過(guò)孔提供屏蔽嗎?

簡(jiǎn)短的回答為“是”，但僅限于某些頻率。當(dāng)以提供屏蔽為目的使用時(shí)，設(shè)計(jì)人員有可能只是猜測(cè)過(guò)孔之間所需的間距。在某些情況下，我們所說(shuō)的波導(dǎo)屏蔽最好稱為電場(chǎng)約束。不管您想怎么稱呼它，縫合過(guò)孔都可以阻止電磁波傳播到某個(gè)最大頻率。

對(duì)于要抑制的給定頻率，過(guò)孔之間的間距應(yīng)約為：

這種專門用于阻擋電磁波傳播的縫合過(guò)孔的間距要求與用于將波限制在PCB上的波導(dǎo)內(nèi)的要求相同。

用作天線饋線的接地共面波導(dǎo)示例如下所示。在此示例中，間距為20密耳，根據(jù)上述等式，這適用于屏蔽高達(dá)43GHz的頻率。如果附近有高速信號(hào)傳輸，我們可以期待沿著這條饋線的高屏蔽效果，這將有助于抑制進(jìn)入RF線路的串?dāng)_。

帶縫合過(guò)孔的共面波導(dǎo)

這里需要注意的是，縫合過(guò)孔并不是解決噪聲的靈丹妙藥，它們不會(huì)給您提供消除最佳布線實(shí)踐的借口。即使您以上述方式使用了縫合過(guò)孔，仍應(yīng)為RF電路板實(shí)踐良好的布局和布線策略。

電源縫合過(guò)孔

當(dāng)用于電源系統(tǒng)的PCB布局時(shí)，縫合過(guò)孔通常不會(huì)以大間距的典型排列方式布置。事實(shí)上，在這些設(shè)計(jì)中，您可能根本看不到它們用于大型接地敷銅區(qū)。然而，縫合過(guò)孔陣列可用于在電源網(wǎng)上創(chuàng)建低電阻層過(guò)渡。這將允許過(guò)孔在層間以低損耗傳輸大量電流。

來(lái)自穩(wěn)壓器電路的電源網(wǎng)絡(luò)多邊形上的8個(gè)過(guò)孔陣列示例

傳輸一定量的電流需要多少個(gè)縫合過(guò)孔?這取決于典型過(guò)孔的直流電阻。對(duì)于典型的過(guò)孔鉆孔直徑和焊盤尺寸(10/20密耳)以及1密耳的孔壁鍍層厚度，過(guò)孔電阻約為1.5mOhm，熱阻約為180°C/W。如果您試圖通過(guò)此過(guò)孔引入20A直流電，您將消耗600mW的功率，并且您可以預(yù)期過(guò)孔的溫度會(huì)增加108°C。

為了將溫升保持在可接受的范圍內(nèi)，我們希望在一個(gè)陣列中使用多個(gè)過(guò)孔。如果我們并聯(lián)使用10個(gè)這樣的過(guò)孔，那么每個(gè)過(guò)孔將承載2 A DC，并且每個(gè)過(guò)孔(以及整個(gè)陣列)的預(yù)期溫升將為1.08°C。這應(yīng)該顯示如何使用溫升目標(biāo)來(lái)確定縫合過(guò)孔數(shù)量的限制。

自動(dòng)縫合過(guò)孔布置

如果我們注意到縫合過(guò)孔的布置涉及在電路板周圍定位和放置大量過(guò)孔，并且具有精確的間距，那么這對(duì)于大多數(shù)CAD工具來(lái)說(shuō)可能很難做到。更簡(jiǎn)單的CAD工具會(huì)強(qiáng)制手動(dòng)放置縫合過(guò)孔，然后可能會(huì)在電路板周圍復(fù)制粘貼每一行/每一列以形成陣列。

Altium Designer在PCB編輯器中包含了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)用程序，可以按照用戶定義的尺寸和間距來(lái)放置縫合過(guò)孔。您可以通過(guò)選擇過(guò)孔模板或設(shè)置自定義過(guò)孔尺寸和層過(guò)渡來(lái)放置縫合過(guò)孔。您可以從PCB編輯器內(nèi)的“工具”菜單訪問(wèn)此功能。閱讀更多有關(guān)此功能的文檔。

那么，有沒(méi)有客觀上“正確”的方式來(lái)使用縫合過(guò)孔呢?答案有時(shí)并不那么明確。我已經(jīng)展示了一些實(shí)例，其中縫合過(guò)孔陣列用于非常特定的目的：

如果您只需要接地(無(wú)高速/RF)，縫合過(guò)孔很方便但并非必需

如果提供跨層參考，縫合過(guò)孔也方便低速信號(hào)以最大限度地減少EMI

如果提供電力，間隔緊密的過(guò)孔可以提供高電流，同時(shí)最大限度地減少溫度升高

對(duì)于高速信號(hào)的轉(zhuǎn)換，您不能依靠隨機(jī)放置的縫合過(guò)孔來(lái)保證信號(hào)的完整性

這使得屏蔽成為縫合過(guò)孔的尺寸、間距和位置方面的突出問(wèn)題。要了解更多信息，請(qǐng)閱讀這篇關(guān)于PCB布局中覆銅的文章，了解縫合過(guò)孔對(duì)噪聲耦合和EMI的一些影響。

當(dāng)您需要使用最佳CAD功能和自動(dòng)化工具來(lái)構(gòu)建PCB時(shí)，請(qǐng)使用Altium Designer中的全套產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具。當(dāng)設(shè)計(jì)完成并準(zhǔn)備將文件遞交給制造商時(shí)，Altium 365平臺(tái)可以輕松地協(xié)作并共享您的項(xiàng)目。

責(zé)任編輯：彭菁