CN109842990B - 一种高速差分过孔的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速差分过孔的优化方法，针对高速印制电路板中差分信号与共模信号对差分过孔的低反射、高传输和阻抗稳定的设计要求，通过对差分过孔建立等效物理模型与等效电路模型，运用双杆传输线模型分析和预测差分过孔性能，确定影响差分过孔性能因素包括过孔中心距、反焊盘直径，非功能性结构及地过孔设置。根据模型分析，设置合适的过孔中心距与反焊盘直径，移除差分过孔的非功能性结构，在差分过孔旁设置等距双过孔，本发明对高速PCB设计中的差分过孔的性能进行了优化，为高速差分过孔设计提供参考。

Description

一种高速差分过孔的优化方法

技术领域

本发明属于高速印制电路板设计领域，涉及一种高速差分过孔的优化方法。

背景技术

在高速PCB设计中，由于差分结构相比于单端结构在抗干扰能力、抑制EMI、时序定位等信号完整性方面有很多优势，因此高速PCB设计中常应用差分结构，差分过孔也广泛应用于连接不同层中的差分结构，虽然差分过孔使互连变得容易，但差分过孔的不连续性也会严重影响到信号完整性，它的存在会造成阻抗不连续、损耗增加等问题，因此研究差分过孔的特性非常重要。

分析差分过孔性能常常需要建立模型，目前已经进行了许多关于过孔建模的研究，但多集中于单过孔，而将单过孔外推至差分过孔仅在相邻过孔之间的电容和电感耦合可忽略不计时才有效，这对于差分过孔并不适用，因此需要建立适用于差分过孔的模型以分析差分过孔的特性。

目前，对于差分过孔特性的分析和研究主要集中于过孔结构优化之上。但是对差分过孔的过孔中心距、反焊盘直径、地过孔设置以及非功能结构对差分过孔的差分性能和共模性能的研究较少。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对高速印制电路板(printedcircuitboard，PCB)中差分信号与共模信号对差分过孔的低反射、高传输和阻抗稳定的设计要求，提供一种高速差分过孔的优化方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高速差分过孔的优化方法，包括以下步骤：

S1：建立差分过孔在PCB叠层中三维物理模型；

S2：根据差分过孔的物理模型建立其等效电路模型；

S3：将所述等效电路模型简化为简单的耦合双杆传输线模型，运用特征阻抗的闭合形式解决方案去解决这种类型的耦合传输线；

S4：设置过孔中心距；

S5：设置反焊盘直径；

S6：在差分过孔旁放置地过孔，以提供电流返回路径，降低由于接地电流返回路径引起的寄生接地电感，提高信号的完整性；

S7：移除非功能结构，包括stub和非功能焊盘。

移除非功能结构会明显地提高信号的质量。

进一步，步骤S1中所述差分过孔的三维物理模型包括一对差分线和一对过孔，所述差分线分布在不同的层中，过孔将来自不同层的差分线连接在一起，所述过孔包括传输信号的过孔柱、位于过孔柱上的非功能焊盘、将过孔柱与信号线连接起来的圆形焊盘以及位于过孔两端未使用的上下Stub部分。

其中非功能焊盘与上下Stub均为过孔的非功能结构。这部分的非功能结构，会明显地降低信号的质量。

进一步，步骤S2中所述差分过孔的等效电路模型包括：

在高频时，由于信号线上内部焊盘的电容将在传输线上引起分流电容干扰，使用电容表示每个焊盘引起的效应，包括连接过孔柱与信号线的过孔焊盘以及非功能焊盘这四对焊盘，由于差分过孔对的对称性，这四对电容是分别相等的，电容值由内部焊盘半径和反焊盘几何形状确定，过孔柱产生的阻抗效应为TL2；

Stub部分将会对信号产生阻抗效应与电容效应，当顶部与底部的Stub长度与结构一致时，各个Stub部分产生的阻抗效应与电容效应是相等的，因为过孔内部焊盘的几何形状是相同的，焊盘的有效面积也是一致的，因此上焊盘和下焊盘的电容效应是相等的，并且内部焊盘之间互感电容也是相等的。

对于连接到差分过孔的耦合带状线，当差分过孔两端的信号线的长度一致时，信号线产生的阻抗效应是一致的，且信号线的长度往往远远大于连接处的长度，因此连接处造成的阻抗不连续性在实际高速通道中忽略不计。

进一步，在步骤S3中，当模型中的差分过孔满足条件：PCB中均匀地填充介电常数为E_r的介电材料，且有多个铜层，则所述差分过孔结构能够简化成简单的耦合双杆传输线进行分析，两个过孔视为被连续的导电屏蔽的中心导体，椭圆形的反焊盘结构能够被近似为矩形的反焊盘结构，运用特征阻抗的闭合形式解决方案去解决这种类型的耦合传输线；

这种具有矩形反焊盘的双杆模型的奇模和偶模阻抗用闭式方程式(1)和式(2)表示，由于反焊盘的宽度h即为反焊盘的直径，反焊盘的长度w即为反焊盘的直径与过孔的中心距之和，因此原始闭式方程式(1)和式(2)能够修改为式(3)和式(4)，当差分信号加在双杆模型上时，双杆模型处于奇模状态，此时每个单杆的特性阻抗即为单杆的奇模阻抗，差分阻抗是每个单杆模型奇模阻抗的串联，即式(5)；当共模信号加在双杆模型上时，双杆模型处于偶模状态，此时每个单杆的特性阻抗即为单杆的偶模阻抗，共模阻抗是每个单杆模型偶模阻抗的并联，即式(6)。

Z_diff＝2×Z_odd (5)

其中Z_odd表示奇模阻抗；Z_even表示偶模阻抗；Z_diff表示差分阻抗；Z_comm表示共模阻抗；E_r表示材料的介电常数；s表示过孔中心距；r表示过孔半径；w表示反焊盘长度；h表示反焊盘宽度；d表示反焊盘直径。

由以上公式可知双杆模型的差分阻抗和共模阻抗是由介质的介电常数E_r，过孔的半径r，两个过孔的中心距s以及反焊盘直径d所确定的。通过这种简化的模型，可以简单分析和预测差分过孔的性能。

在步骤S4中，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，当过孔的中心距逐渐增大时，过孔间的耦合减弱，每个过孔的奇模阻抗将会增大，偶模阻抗将会减小，这意味着差分阻抗将会增大，共模阻抗将会减小。总体来说，对于差分信号，过孔中心距过大或过小均会对其信号完整性产生不利影响；而对于共模信号，过孔中心距增大则会对信号完整性有一定的提升。

在步骤S5中，反焊盘直径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，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；对于共模信号来说，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。

在步骤S6中，由于接地过孔放置在信号过孔附近，可以为电流提供返回路径，此举有助于降低由于接地电流返回路径引起的寄生接地电感，可以改善信号的质量，尤其是在两个差分过孔旁分别对称地放置一个地过孔的情况下，差分信号与共模信号的信号完整性会依次提高，尤其共模信号的信号完整性的提升更为显著。

在步骤S7中，由S1中建立的差分过孔物理模型与S2中建立的差分过孔电路模型可知差分过孔存在非功能性结构，包括非功能性结构stub与非功能焊盘，这部分的非功能结构在信号传输的过程中会衰减很大一部分的信号能量，增加信号传输过程中的损耗，移除差分过孔中的非功能结构能够有效减少传输过程中的损耗，提高差分信号的信号完整性。

本发明的有益效果在于：本发明对差分过孔建立物理与电路模型，并将差分过孔模型简化为双杆传输线模型，这种简单耦合传输线模型提供了一种分析和预测差分过孔性能的简便途径。

本发明通过对差分过孔在设计与结构上的优化，能够有效提高差分过孔的传输性能，增强信号的完整性，为高速差分过孔设计提供参考。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所建立的差分过孔物理模型；

图2为本发明所建立的差分过孔电路模型；

图3为本发明中的差分过孔俯视图；

图3中(a)为椭圆形反焊盘，(b)为矩形反焊盘；

图4为本发明中的地过孔放置的位置；

图5为本发明中信号传输过程差分过孔的电场分布。

附图标记：差分线1、过孔柱2、非功能焊盘3、上Stub4、下Stube5。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明涉及一种高速差分过孔的优化方案，首先对差分过孔建立物理模型，其物理模型如图1所示，该模型主要包括两个部分，一对差分线1与一对过孔，差分线1分布在不同的层中，过孔将来自不同层的差分线1连接在一起，过孔结构包括传输信号的过孔柱2，将过孔柱2与信号线连接起来的圆形焊盘以及位于过孔两端未使用的上Stub4下Stube5部分，未使用的Stub部分，会明显地降低信号的质量。

图2位差分过孔的电路模型，在图1的差分过孔物理模型中，过孔焊盘分别位于过孔的顶部、内部与底部，内部焊盘将信号线连接到过孔柱2上Stub4。在高频时，由于信号线上Stub4内部焊盘的电容将在传输线上Stub4引起分流电容干扰，因此上Stub4下Stube5内部焊盘引起的效应可使用两对电容表示，由于差分过孔对的对称性，这两对电容是分别相等的，即上Stub4焊盘C1＝C2，下Stube5焊盘C3＝C4，电容值由内部焊盘半径和反焊盘几何形状确定。

如果过孔顶部与底部存在Stub，Stub部分将会对信号产生阻抗效应与电容效应，由于差分过孔对的对称性，可知C5＝C6，C7＝C8，当顶部与底部的Stub长度与结构一致时，即差分过孔的上下Stub部分呈对称性，各个Stub部分产生的阻抗效应与电容效应是相等的，即TL1＝TL2，C5＝C6＝C7＝C8，此时，因为过孔内部焊盘的几何形状是相同的，焊盘的有效面积也是一致的，可知C1＝C2＝C3＝C4，并且内部焊盘之间互感电容也是相等的，即Cm1＝Cm2。

对于连接到差分过孔的耦合传输线，当差分过孔两端的信号线的长度一致时，信号线产生的阻抗效应是一致的，而在实际情况中，信号线的长度往往远远大于连接处的长度，因此连接处造成的阻抗不连续性在实际高速通道中可以忽略不计，即T1＝T2＝0。

图3是差分过孔的俯视图，在实际情况中，差分过孔的反焊盘为椭圆形，如图3中(a)所示。当模型中的通孔、盲孔或者埋孔满足以下条件：(1)PCB中均匀地填充介电常数为的介电材料，(2)有多个铜层，此时这种差分过孔结构可简化成简单的耦合双杆传输线进行分析[13-14]，两个过孔可视为被连续的导电屏蔽的中心导体，椭圆形的反焊盘结构可被近似为矩形的反焊盘结构，如图3中(b)所示，因此可以运用特征阻抗的闭合形式解决方案去解决这种类型的耦合传输线。

这种具有矩形反焊盘的双杆模型的奇模和偶模阻抗可用式(1)和式(2)中的闭式方程表示。由于反焊盘的宽度h即为反焊盘的直径，反焊盘的长度w即为反焊盘的直径与过孔的中心距之和，因此(1)和(2)原始闭式方程可修改为式(3)和式(4)。当差分信号加在双杆模型上时，双杆模型处于奇模状态，此时每个单杆的特性阻抗即为单杆的奇模阻抗，差分阻抗是每个单杆模型奇模阻抗的串联，如式(5)所示；当共模信号加在双杆模型上时，双杆模型处于偶模状态，此时每个单杆的特性阻抗即为单杆的偶模阻抗，共模阻抗是每个单杆模型偶模阻抗的并联，如式(6)所示。

Z_diff＝2×Z_odd (5)

Z_odd：奇模阻抗；Z_even：偶模阻抗；Z_diff：差分阻抗；Z_comm：共模阻抗；E_r：材料的介电常数；s：过孔中心距；r：过孔半径；w：反焊盘长度；h：反焊盘宽度；d：反焊盘直径。

由以上公式可知双杆模型的差分阻抗和共模阻抗是由介质的介电常数E_r，过孔的半径r，两个过孔的中心距s以及反焊盘直径d所确定的。通过这种简化的模型，可以简单分析和预测差分过孔的性能。

基于以上分析，通过设置图3中差分过孔的过孔中心距s，可以提高差分过孔的性能，过孔中心距对差分信号与共模信号的信号完整性影响是不同的，当过孔的中心距逐渐增大时，过孔间的耦合减弱，每个过孔的奇模阻抗将会增大，偶模阻抗将会减小，这意味着差分阻抗将会增大，共模阻抗将会减小。总体来说，对于差分信号，过孔中心距过大或过小均会对其信号完整性产生不利影响；而对于共模信号，过孔中心距增大则会对信号完整性有一定的提升。

通过设置差分过孔的反焊盘直径d，即图3中的h，可以提高差分过孔的性能，反焊盘直径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；对于共模信号来说，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。

由于接地过孔放置在信号过孔附近，可以为电流提供返回路径，此举有助于降低由于接地电流返回路径引起的寄生接地电感，可以改善信号的质量，尤其是在两个差分过孔旁分别对称地放置一个地过孔的情况下，即图4所示，差分信号与共模信号的信号完整性会依次提高，尤其共模信号的信号完整性的提升更为显著。

由图1所建立的差分过孔物理模型与图2所建立的差分过孔电路模型可知差分过孔存在非功能性结构，包括非功能性结构stub与非功能焊盘，图5显示了信号传输的过程差分过孔的电场分布，由其电场分布可知这部分的非功能结构在信号传输的过程中会衰减很大一部分的信号能量，增加信号传输过程中的损耗，移除差分过孔中的非功能结构能够有效减少传输过程中的损耗，提高差分信号的信号完整性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种高速差分过孔的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：建立差分过孔在PCB叠层中三维物理模型；所述差分过孔的三维物理模型包括一对差分线和一对过孔，所述差分线分布在不同的层中，过孔将来自不同层的差分线连接在一起，所述过孔包括传输信号的过孔柱、位于过孔柱上的非功能焊盘、将过孔柱与信号线连接起来的圆形焊盘以及位于过孔两端未使用的上下Stub部分；

S2：根据差分过孔的物理模型建立其等效电路模型；

S3：将所述等效电路模型简化为简单的耦合双杆传输线模型，运用特征阻抗的闭合形式解决方案去解决这种类型的耦合传输线；

S4：设置过孔中心距；

S5：设置反焊盘直径；

S6：在差分过孔旁放置地过孔，以提供电流返回路径，降低由于接地电流返回路径引起的寄生接地电感，提高信号的完整性；

S7：移除非功能结构，包括stub和非功能焊盘。

2.根据权利要求1所述的高速差分过孔的优化方法，其特征在于：步骤S2中所述差分过孔的等效电路模型包括：

在高频时，由于信号线上内部焊盘的电容将在传输线上引起分流电容干扰，使用电容表示每个焊盘引起的效应，包括连接过孔柱与信号线的过孔焊盘以及非功能焊盘这四对焊盘，由于差分过孔对的对称性，这四对电容是分别相等的，电容值由内部焊盘半径和反焊盘几何形状确定，过孔柱产生的阻抗效应为TL2；

Stub部分将会对信号产生阻抗效应与电容效应，当顶部与底部的Stub长度与结构一致时，各个Stub部分产生的阻抗效应与电容效应是相等的，因为过孔内部焊盘的几何形状是相同的，焊盘的有效面积也是一致的，因此上焊盘和下焊盘的电容效应是相等的，并且内部焊盘之间互感电容也是相等的。

3.根据权利要求1所述的高速差分过孔的优化方法，其特征在于：在步骤S3中，当模型中的差分过孔满足条件：PCB中均匀地填充介电常数为E_r的介电材料，且有多个铜层，则所述差分过孔结构能够简化成简单的耦合双杆传输线进行分析，两个过孔视为被连续的导电屏蔽的中心导体，椭圆形的反焊盘结构能够被近似为矩形的反焊盘结构，运用特征阻抗的闭合形式解决方案去解决这种类型的耦合传输线；

具有矩形反焊盘的双杆模型的奇模和偶模阻抗用闭式方程式(1)和式(2)表示，由于反焊盘的宽度h即为反焊盘的直径，反焊盘的长度w即为反焊盘的直径与过孔的中心距之和，因此原始闭式方程式(1)和式(2)能够修改为式(3)和式(4)，当差分信号加在双杆模型上时，双杆模型处于奇模状态，此时每个单杆的特性阻抗即为单杆的奇模阻抗，差分阻抗是每个单杆模型奇模阻抗的串联，即式(5)；当共模信号加在双杆模型上时，双杆模型处于偶模状态，此时每个单杆的特性阻抗即为单杆的偶模阻抗，共模阻抗是每个单杆模型偶模阻抗的并联，即式(6)；

Z_diff＝2×Z_odd (5)

其中Z_odd表示奇模阻抗；Z_even表示偶模阻抗；Z_diff表示差分阻抗；Z_comm表示共模阻抗；E_r表示材料的介电常数；s表示过孔中心距；r表示过孔半径；w表示反焊盘长度；h表示反焊盘宽度；d表示反焊盘直径。

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