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什么是寄生电感?如何计算PCB寄生电容和电感?

发布时间:2019-10-11

【导读】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。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感。
 
什么是寄生电感
寄生电感一半是在PCB过孔设计所要考虑的。
 
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。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感。
 
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。从式中可以看出,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。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
 
什么是寄生电感?如何计算PCB寄生电容和电感?
 
PCB过孔的寄生电容和电感的计算
PCB过孔本身存在着寄生电容,假如PCB过孔在铺地层上的阻焊区直径为D2,PCB过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,基板材介电常数为ε,则PCB过孔的寄生电容数值近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1) PCB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,降低了电路的速度尤其在高频电路中影响更为严重。
 
举例,对于一块厚度为50Mil的PCB,如果使用的PCB过孔焊盘直径为20Mil(钻孔直径为10Mils),阻焊区直径为40Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出PCB过孔的寄生电容大致是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF
 
这部分电容引起的上升时间变化量大致为:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
 
从这些数值可以看出,尽管单个PCB过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用PCB过孔进行层间的切换,就会用到多个PCB过孔,设计时就要慎重考虑。实际设计中可以通过增大PCB过孔和铺铜区的距离(Anti-pad)或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。
 
PCB过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,PCB过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。
 
我们可以用下面的经验公式来简单地计算一个PCB过孔近似的寄生电感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]
 
其中L指PCB过孔的电感,h是PCB过孔的长度,d是中心钻孔的直径。从式中可以看出,PCB过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是PCB过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出PCB过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
 
如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个PCB过孔,这样PCB过孔的寄生电感就会成倍增加。
 
 
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