一种降低电源纹波的过孔的设计方法与流程

本发明涉及一种降低电源纹波的过孔的设计方法，属于电源设计技术领域。

背景技术：

电源完整性是指电压能在整个电源传输系统上保持稳定，在高速电路中，电源设计稳定性对整个系统的稳定性起到了非常重要的作用，而pcb的电源设计部分，越来越大的电流需求也对pcb的供电设计带来了越来越多的挑战。有大电流需求的pcb设计中，均需利用多个过孔换层来传输能量，而过孔的数量及阻抗变化将影响电源参考平面的完整性，从而影响电源传输系统的稳定性。

电源分配网络包含从稳压模块到芯片的焊盘，再到芯片内部分配本地电压和返回电流在内的所有互连，其中有稳压模块、去耦电容器、过孔、电路板上的导电平面、封装的引脚、芯片的内部互连等，如果该网络中任何一个很小的部件有所改变，整个系统的性能都将受到影响。

对电源分配网络的首要和基本要求是，保持芯片焊盘间恒定的供电电压，并使其能维持在一个很小的容差范围内，因此芯片引脚上的电源纹波可以作为电源传输系统稳定性的一个指标，现阶段减小电源纹波的主要方式是添加去耦电容，在高频条件下，固有频率的影响因素l、c均和过孔的阻抗有关系，因此通过优化过孔阻抗能够有效降低固有频率，增加去耦能力。对于有大电流需求的pcb设计中，利用过孔换层来传输能量，而过孔阻抗和排列布局方式将影响电源参考平面的完整性，从而影响电源传输系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种利用过孔阻抗降低电源纹波的方法，通过设计过孔阻抗及布局方法，使其不阻碍电源及地平面的通流，降低电源纹波。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种降低电源纹波的过孔的设计方法，包括以下步骤：

s01)、确定pcb板的厚度h；

s02)、根据过孔的加工精度及板厂加工能力确定过孔的尺寸范围；

s03)、在步骤s02确定的过孔的尺寸范围内，计算满足电源纹波要求范围的过孔尺寸，过孔的阻抗表达式为：其中，ω为角速度，r为过孔的直流特性，l为过孔的感性特性，c为过孔的容性特性，电源纹波要求范围通过r、l、c衡量，其中ρ表示过孔体电阻率，为一常数，h为过孔的长度，等于步骤s01中pcb板的厚度，r为过孔的半径，d为过孔的内径，d＝2r，d1为过孔反焊盘直径，d2为过孔焊盘直径，通过电源纹波要求确定过孔的内径d、过孔反焊盘直径d1、过孔焊盘直径d2；

s04)、根据电流大小确定过孔数量，过孔对的回路电感为ls，s为两过孔之间的距离，根据回路电感计算两过孔之间的距离；s05)、根据步骤s03计算的过孔尺寸、步骤s04计算的过孔数量及间距，在电源换层处布置过孔，过孔排列方向与电源传输方向垂直。

进一步的，步骤s03中，根据电源纹波要求范围计算出多组表示过孔尺寸的d、d1、d2，综合比较多组过孔尺寸对应的直流特性r、感性特性l和容性特性c，取效果最佳的一组。

进一步的，还包括步骤s06)、对过孔进行铺铜，要求铺铜方向与电源传输方向一致，铺铜宽度能够全部覆盖过孔。

进一步的，步骤s02确定的过孔的尺寸范围为：过孔尺寸内径d≥0.2mm,焊盘直径d2≥d+0.2mm，板厚孔径比≤12:1。

本发明的有益效果：本发明在可加工的条件下，通过对过孔结构进行尺寸优化来降低过孔阻抗，从而减小过孔对电源平面和地平面完整性的影响，减小电源纹波，提高了电源传输传输系统的稳定性，本发明还提供了过孔对产生的回路电感的估算方法，在满足电流通流能力的条件下，通过计算给出准确的过孔间距，减小过孔对产生的回路电感，提高了电源传输的稳定性。

附图说明

图1为pcb板的剖面图；

图中：d为过孔内径，d1为反焊盘直径，d2为焊盘直径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种降温电源纹波的过孔的设计方法，具体包括以下步骤：

s01)、确定电路板的功率要求，根据电流大小确定铺铜宽度、铜厚，根据电路板强度要求及外形结构要求确定电路板板厚h及叠层，具体的电路板设计中根据实际结构需求和布线密度确定电路叠层，本实施例，采用板厚1.0mm,1oz铜厚设计。

s02)、根据过孔的加工精度及板厂加工能力确定过孔尺寸范围，厂家普遍能加工的过孔尺寸内径d≥0.2mm,焊盘直径d2≥d+0.2mm，板厚孔径比≤12:1。

s03)、根据电源传输系统需求，计算满足电源纹波要求范围的过孔尺寸。电源纹波通过过孔的阻抗衡量，过孔的阻抗为:其中，ω为角速度，r为过孔的直流特性，l为过孔的感性特性，c为过孔的容性特性。将过孔等效为金属圆柱，过孔的直流特性用公式表示为：ρ表示过孔体电阻率，我们可以看做一个常数，如图1所示，h为过孔的长度，r为过孔的半径即d/2,对于通孔来说，过孔的长度即板厚h，d为过孔的内径。要想获得稳定的电源系统，我们希望由过孔引起的电压扰动越小越好，而系统通常有大电流的同流需求，根据基尔霍夫定律电压电流和阻抗的关系，我们希望过孔的阻抗越小越好，即r越小越好，即过孔的内径越大，过孔等效的金属圆柱的横截面积越大，则电阻越小，电压的压降越小，则电源纹波减小。

过孔的电感特性表达式为：同样的h为过孔的长度，即pcb板的厚度，d为过孔内径，要获得较小的电压纹波，l越小越好，在pcb板厚固定的情况下，孔内径越大则l越小，则电压纹波越小，与直流特性的结果是一致的。

过孔的电容特性表达式为：ε为介电常数，d1为过孔反焊盘直径，d2为过孔焊盘直径，过孔的容值增加可以增加去耦效果，减小电源纹波，因此c越大越好，即d1/d2越小越好。

在pcb板的电源过孔设计上，电源及地连接一般都打多个过孔以满足通流需求，而过孔与过孔之间产生的回路电感也将对电源及地平面产生影响，过孔对的回路电感有以下近似式：s为两过孔之间的距离，d为过孔的直径，要想获得较小的回路电感，两过孔之间的距离越小越好。

由于pcb板厂家的实际加工能力及系统设计要求，需要在步骤s02确定的过孔的尺寸范围内，计算满足电源纹波要求范围的过孔尺寸。本实施例中，根据pcb的实际加工能力及系统设计要求计算出了三组过孔的尺寸，对这三组尺寸分别进行阻抗计算：

1.过孔内径0.01inch(过孔半径为0.005inch)，焊盘0.02inch，反焊盘0.03inch，过孔之间的距离采用反焊盘的2倍即0.06inch,板厚选取常用板厚1.6mm(0.063inch),频率选择100mhz进行计算，可得到过孔的r＝(7.08*10^-4)*[0.063/(3.14*0.005*0.005)]＝0.57mω，

l＝5.08*0.063[ln0.063/0.01+1]＝0.91nh，

c＝1.41*4.4*0.063[0.02/(0.03-0.02)]＝0.78pf，

ls＝10*0.063[ln(2*0.06/0.01)]＝1.565nh，

2.过孔内径0.02inch(过孔半径为0.01inch),焊盘0.035inch,反焊盘0.045inch,过孔之间的距离采用反焊盘的2倍即0.09inch,板厚选取常用板厚1.6mm(0.063inch),频率选择100mhz进行计算，可得到过孔的r＝(7.08*10^-4)*[0.063/(3.14*0.01*0.01)]＝0.142mω，

l＝5.08*0.063[ln0.063/0.02+1]＝0.69nh，

c＝1.41*4.4*0.063[0.035/(0.045-0.035)]＝1.36pf，

ls＝10*0.063[ln(2*0.09/0.02)]＝1.384nh，

3.过孔内径0.02inch(过孔半径为0.01inch),焊盘0.035inch,反焊盘0.045inch,过孔之间的距离采用反焊盘的2倍即0.09inch,板厚选取1.0mm(0.04inch),频率选择100mhz进行计算，可得到过孔的r＝(7.08*10^-4)*[0.04/(3.14*0.01*0.01)]＝0.090mω，

l＝5.08*0.04[ln0.04/0.02+1]＝0.35nh，

c＝1.41*4.4*0.04[0.035/(0.045-0.035)]＝0.87pf，

ls＝10*0.04[ln(2*0.09/0.02]＝0.879nh。

根据以上计算，我们可以给出电源传输效果较好的过孔结构内径20mil(0.02inch),焊盘35mil(0.035inch),反焊盘45mil(0.045inch),板厚选取1.0mm(0.04inch)，过孔间距90mil,能减小电源纹波，达到较好的电源传输效果。

s04)、根据电流大小确定过孔数量；

s05)、根据步骤s03计算的过孔尺寸、步骤s04计算的过孔数量，在电源换层处布置过孔，过孔排列方向与电源传输方向垂直，过孔之间的距离按照步骤s03计算的过孔间距90mil。

s06)、对过孔进行铺铜，要求铺铜方向与电源传输方向一致，铺铜宽度能够全部覆盖过孔。

本发明仅通过调整过孔的内径，焊盘和反焊盘尺寸即能达到改善电源纹波的效果，并且规定过孔的排列方向来减少局部发热，对电源设计的稳定性和小型化有良好的改善效果，并且只需对pcb进行改进，不需要任何成本的增加，有利于改善电源的完整性，提高电源传输质量。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。