電子設(shè)計(jì)基本概念100問(wèn)解析（二）

1.71 什么叫旁路電容、去耦電容，兩者的區(qū)別在哪？

答：可將混有高頻電流和低頻電流的交流電中的高頻成分旁路濾掉的電容，稱(chēng)做“旁路電容”。對(duì)于同一個(gè)電路來(lái)說(shuō)，旁路（bypass）電容是把輸入信號(hào)中的高頻噪聲作為濾除對(duì)象，把前級(jí)攜帶的高頻雜波濾除。

去耦電容是電路中裝設(shè)在元件的電源端的電容，此電容可以提供較穩(wěn)定的電源，同時(shí)也可以降低元件耦合到電源端的噪聲，間接可以減少其他元件受此元件噪聲的影響。

去耦和旁路都可以看作濾波。去耦電容相當(dāng)于電池，避免由于電流的突變而使電壓下降，相當(dāng)于濾紋波。具體容值可以根據(jù)電流的大小、期望的紋波大小、作用時(shí)間的大小來(lái)計(jì)算。去耦電容一般都很大，對(duì)更高頻率的噪聲，基本無(wú)效。旁路電容就是針對(duì)高頻來(lái)的，也就是利用了電容的頻率阻抗特性。電容一般都可以看成一個(gè)RLC串聯(lián)模型。在某個(gè)頻率，會(huì)發(fā)生諧振，此時(shí)電容的阻抗就等于其ESR。如果看電容的頻率阻抗曲線圖，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一般都是一個(gè)V形的曲線。具體曲線與電容的介質(zhì)有關(guān)，所以選擇旁路電容還要考慮電容的介質(zhì)，一個(gè)比較保險(xiǎn)的方法就是多并幾個(gè)電容，其關(guān)系示意如圖1-47所示。

表1-47  旁路電容與去耦電容示意圖

1.72 什么叫做串?dāng)_？

答：串?dāng)_,就是指一條線上的能量耦合到其他傳輸線,它是由不同結(jié)構(gòu)引起的電磁場(chǎng)在同一區(qū)域里的相互作用而產(chǎn)生的。串?dāng)_在數(shù)字電路中非常普遍地存在著，如芯片內(nèi)部、PCB板、接插件、芯片封裝，以及通信電纜等等。

串?dāng)_可能是數(shù)據(jù)進(jìn)行高速傳輸中最重要的一個(gè)影響因素了。它是一個(gè)信號(hào)對(duì)另外一個(gè)信號(hào)耦合所產(chǎn)生的一種不受歡迎的能量值。根據(jù)麥克斯韋定律，只要有電流的存在，就會(huì)有磁場(chǎng)存在，磁場(chǎng)之間的干擾就是串?dāng)_的來(lái)源。這個(gè)感應(yīng)信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸的丟失和傳輸錯(cuò)誤。 所以串?dāng)_對(duì)于綜合布線來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是個(gè)最厲害的天敵。

1.73 引起串?dāng)_的因素有哪些？

答：互感是引起串?dāng)_的兩個(gè)重要因素之一,互感系數(shù)標(biāo)志了一根驅(qū)動(dòng)傳輸線通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)另外一根傳輸線產(chǎn)生感應(yīng)電流的程度。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),如果“受害（Victim）線”和驅(qū)動(dòng)線(侵略線)的距離足夠接近，以至于侵略線產(chǎn)生的磁場(chǎng)將受害線包圍其中,則在受侵略的傳輸線上將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,而這個(gè)通過(guò)磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的電流在電路模型中就通過(guò)互感參數(shù)來(lái)表征。在互感的作用下，將根據(jù)驅(qū)動(dòng)線上的電流變化率而在受害線上引起一定的噪聲，噪聲電壓的大小與電流變換率成正比。

互容是引起串?dāng)_的另外一個(gè)重要因素,互容是兩導(dǎo)體間簡(jiǎn)單的電場(chǎng)耦合,這種耦合在電路模型中以互容的形式表現(xiàn)出來(lái)?；ト輰a(chǎn)生一個(gè)與侵略線上電壓變換率成正比的噪聲電流到受害線。

1.74 降低串?dāng)_的方法有哪些？

答：降低串?dāng)_的方法有如下幾種：

增加信號(hào)路徑之間的間距、用平面作為返回路徑、使耦合長(zhǎng)度盡量短、在帶狀線層布線、減小信號(hào)路徑的特性阻抗、使用介電常數(shù)較低的疊層、在封裝和接插件中不要共用返回引腳、使用兩端和整條線上有短路過(guò)孔的防護(hù)布線，更多關(guān)于PCB中降低串?dāng)_的處理方法，可以到本書(shū)學(xué)習(xí)論壇“PCB聯(lián)盟網(wǎng)”免費(fèi)下載學(xué)習(xí)。

1.75 什么是過(guò)孔，過(guò)孔包含哪些元素？

答：過(guò)孔，也叫金屬化孔。在雙面板和多層板中，為連通各層之間的印制導(dǎo)線，在各層需要連通的導(dǎo)線的交匯處鉆上一個(gè)公共孔，即過(guò)孔。

過(guò)孔的實(shí)質(zhì)呢，其實(shí)就是一個(gè)通孔的焊盤(pán)，有外徑和內(nèi)徑，我們可以從圖1-48所示的過(guò)孔的padstack剖析圖來(lái)看下，通孔的焊盤(pán)在Allegro軟件中所包含的元素。

圖1-48 通孔焊盤(pán)剖析圖

Regular Pad：規(guī)則焊盤(pán)，在正片中看到的焊盤(pán)，也是基本的焊盤(pán)。

Thermal Relief：熱風(fēng)焊盤(pán)，也叫花焊盤(pán)，在負(fù)片中有效，設(shè)計(jì)用于在負(fù)片中焊盤(pán)與敷銅的接連方式，防止焊接時(shí)散熱太快，影響工藝。

Anti Pad：隔離焊盤(pán)，焊盤(pán)與敷銅的間距，負(fù)片工藝中有效。

Soldermask：阻焊層，定義阻焊的大小，規(guī)定綠油開(kāi)窗大小，以便進(jìn)行焊盤(pán)。

Pastemask：鋼網(wǎng)層，定義鋼網(wǎng)開(kāi)窗大小，貼片的時(shí)候會(huì)按照鋼網(wǎng)的位置和大小，進(jìn)行錫膏涂敷。

1.76 什么是盲埋孔?

答：盲埋孔，是盲孔與埋孔的統(tǒng)稱(chēng)。盲孔（Blind vias ），盲孔是將PCB內(nèi)層走線與PCB表層走線相連的過(guò)孔類(lèi)型，此孔不穿透整個(gè)板子。埋孔（Buried vias），埋孔則只連接內(nèi)層之間的走線的過(guò)孔類(lèi)型，所以是從PCB表面是看不出來(lái)的。

盲孔一般是激光鉆孔，從表層鉆到PCB的內(nèi)層，并不穿透整個(gè)PCB板，激光鉆孔的大小是0.1mm，厚度是60-70um左右，具體要看PCB廠家的工藝能力。所以我們?cè)赑CB設(shè)計(jì)軟件中，設(shè)置的盲孔大小一般是4mil的鉆孔，10mil的焊盤(pán)。

埋孔，跟普通的鉆孔所使用的鉆刀是一致的。埋孔只連接內(nèi)層之間的走線，連接表層通過(guò)盲孔，盲孔加上埋孔要將整個(gè)的PCB板進(jìn)行貫通，比如一個(gè)6層一階板的設(shè)計(jì)，它的盲孔是1-2、5-6；它的埋孔就是2-5。我們?cè)赑CB設(shè)計(jì)中隨使用的埋孔的大小要跟通孔的大小一樣大，一般設(shè)置為8mil的鉆孔，16mil的焊盤(pán)，關(guān)于盲埋孔的設(shè)計(jì)有疑問(wèn)的讀者，可以聯(lián)系作者(QQ: 1763146079    郵件：huangy@fany-eda.com)獲取技術(shù)支持。

1.77  HDI板卡的階數(shù)是怎么定義的？

答：基于有盲埋孔的板子，我們要根據(jù)整個(gè)板子的壓合次數(shù)還有激光鉆孔的次數(shù)來(lái)確定HDI板卡的階數(shù)。這里我們以6層板為例來(lái)具體講解下，其它的可以按這個(gè)規(guī)律來(lái)依次類(lèi)推：

Ø 6層一階HDI板指，盲孔:1-2,2-5,5-6。即1-2,5-6需激光打孔；

Ø 6層二階HDI板指，盲孔:1-2,2-3,3-4,4-5,5-6。即需2次激光打孔.首先鉆3-4的埋孔,接著壓合2-5,然后第一次鉆2-3，4-5的激光孔,接著第2次壓合1-6，然后第二次鉆1-2，5-6的激光孔.最后才鉆通孔.由此可見(jiàn)二階HDI板經(jīng)過(guò)了兩次壓合，兩次激光鉆孔；

Ø 另外二階HDI板還分為:錯(cuò)孔二階HDI板和疊孔二階HDI板，錯(cuò)孔二階HDI板是指盲孔1-2和2-3是錯(cuò)開(kāi)的，而疊孔二階HDI板是指盲孔1-2和2-3疊在一起，比如:盲:1-3,3-4,4-6。

1.78 過(guò)孔的兩個(gè)寄生參數(shù)是什么，有什么影響，應(yīng)該怎么消除？

答：過(guò)孔的兩個(gè)寄生參數(shù)是寄生電容和寄生電感。

過(guò)孔本身存在著對(duì)地的寄生電容，如果已知過(guò)孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2,過(guò)孔焊盤(pán)的直徑為D1,PCB板的厚度為T(mén),板基材介電常數(shù)為ε,則過(guò)孔的寄生電容大小近似可以用以下公式來(lái)計(jì)算：C=1.41εTD1/(D2-D1)。

過(guò)孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間，降低了電路的速度。比如說(shuō)，對(duì)于一塊厚度為50Mil的PCB板，如果使用內(nèi)徑為10Mil，焊盤(pán)直徑為20Mil的過(guò)孔，焊盤(pán)與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil,則我們可以通過(guò)上面的公式近似算出過(guò)孔的寄生電容大致是：

C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，這部分電容引起的上升時(shí)間變化量為：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個(gè)過(guò)孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯，但是如果走線中多次使用過(guò)孔進(jìn)行層間的切換，所產(chǎn)生的影響還是比較大的。

過(guò)孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，過(guò)孔的寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。

我們可以用下面的公式來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算一個(gè)過(guò)孔近似的寄生電感：L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指過(guò)孔的電感，h是過(guò)孔的長(zhǎng)度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，過(guò)孔的直徑對(duì)電感的影響較小，而對(duì)電感影響最大的是過(guò)孔的長(zhǎng)度。仍然采用上面的例子，可以計(jì)算出過(guò)孔的電感為：

L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。如果信號(hào)的上升時(shí)間是1ns，那么其等效阻抗大小為：XL=πL/T10-90=3.19Ω。這樣的阻抗在有高頻電流的通過(guò)已經(jīng)不能夠被忽略，特別要注意，旁路電容在連接電源層和地層的時(shí)候需要通過(guò)兩個(gè)過(guò)孔，這樣過(guò)孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。

為了消除過(guò)孔寄生電容與寄生電感所帶來(lái)的影響，我們可以采取如下措施。

Ø 選擇合理尺寸的過(guò)孔大小，比如對(duì)6-10層的PCB設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，選用10/20Mil（鉆孔/焊盤(pán)）的過(guò)孔較好，對(duì)于一些高密度的小尺寸的板子，也可以嘗試使用8/18Mil的過(guò)孔；

Ø 使用較薄的PCB板有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數(shù)；

Ø PCB板上的信號(hào)走線盡量不換層，也就是說(shuō)盡量不要使用不必要的過(guò)孔；

Ø 電源和地的管腳要就近打過(guò)孔，過(guò)孔和管腳之間的引線越短越好，因?yàn)樗鼈儠?huì) 導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線要盡可能粗，以減少阻抗；

Ø 在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地的過(guò)孔，以便為信號(hào)提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過(guò)孔。

1.79 什么是孤島銅皮，有什么影響？

答：孤島銅皮, Isolated  Shapes,也叫做孤島，指的是在PCB中孤立、沒(méi)有與任何地方連接的銅箔。在Allegro軟件中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)孤島銅皮的個(gè)數(shù)，如圖1-49所示，對(duì)于PCB板上的孤島銅皮，一般我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)于很大塊的孤島銅皮，我們盡量在這個(gè)銅皮打上地過(guò)孔。讓銅皮接地，使整個(gè)PCB地連接性更好；而對(duì)于面積很小的孤島銅皮，我們選擇刪除，點(diǎn)擊shape-Delete Island,就可以把整個(gè)孤島銅皮給刪除掉，如如1-50所示。

孤島銅皮的存在，主要是會(huì)與周?chē)男盘?hào)形成天線效應(yīng)，引發(fā)PCB的EMI的問(wèn)題，對(duì)高速信號(hào)線造成干擾，所以我們建議PCB上的孤島銅皮還是刪除比較好。

圖1-49 孤島銅報(bào)告示意圖

圖1-50 刪除孤島銅示意圖

1.80 什么是平衡銅，他的作用是什么？

答：平衡銅，是在PCB上鋪的一些沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格銅皮，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的電氣連接。在PCB板上鋪平衡銅的作用主要就是為了起平衡作用，防止PCB板發(fā)生翹曲。因?yàn)镻CB板的疊層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)這樣一種情況，其中某一層的銅會(huì)非常多，而相對(duì)應(yīng)的層的銅很少，出現(xiàn)這種情況的時(shí)候。就會(huì)在銅箔相對(duì)于來(lái)說(shuō)少的哪一層，來(lái)鋪上一些沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的銅箔，來(lái)增加銅箔的含量，這樣的銅箔我們就叫平衡銅，主要目的就是起平衡作用，達(dá)到讓疊層對(duì)稱(chēng)，對(duì)稱(chēng)的層銅箔的含量的盡量一致。