B3.0:电源过孔数量和接地铜皮过孔数量的讨论
在四层板设计中,电源过孔数量直接影响电路性能。不足的过孔会导致电流密度过高、阻抗增大、电压跌落和局部过热(温差达15℃),可能引发芯片故障或过孔断裂。高频应用中,过孔不足还会增大环路电感,加剧EMI辐射。建议在电源网络尽量多打过孔,接地过孔则应靠近焊盘布置,采用小块完整铜皮连接以缩短回流路径,避免大面积铺铜带来的干扰问题。这种布局既能保证电流承载能力,又能优化高频性能。

这是正常顶层电源网络铺铜里打的电源过孔,因为四层板设计里有电源层,电源层里有VCC_5V0的铜皮,所以打了多的过孔可以更好的增加连通性,让电流有更多路径可以走到电源层,就是增大了电流承载面积。

很明显,过孔后,电流密度更高了。
下图是一个过孔的情况:

这种情况下,电流通过就少,如果功率大,电流在流经过孔时因数量不足导致路径阻抗升高(过孔寄生电感增大约0.5nH/个)。根据欧姆定律(ΔV = I×R),大电流下阻抗增大会造成显著的电压跌落,负载端(如CPU、FPGA)电压低于工作阈值,引发芯片误动作、复位或宕机。
过孔是电流瓶颈,单个0.2mm孔径过孔仅能安全承载约1.2A电流。若过孔数量不足(如2A电流仅用1个过孔),电流密度远超设计极限,导致焦耳热剧增,局部温度可升至90℃以上(正常应<80℃),引起铜箔氧化、阻焊层碳化,甚至过孔断裂,红外热像显示,过孔稀疏区域的温差可达15℃以上,顶层电源需通过过孔连接内层电源平面(如L3层)。
过孔不足时,高频电流回流路径被迫绕行,环路面积增大,寄生电感升高(可增至8nH),噪声通过ΔV=L·di/dt耦合到信号层,干扰敏感电路(如ADC、时钟),大电流环路(如电源-地层)等效为环形天线,辐射高频噪声,环路面积每增加一倍,辐射强度提升6dB。过孔不足时,回流路径延长,EMI在特定频段(如100MHz–1GHz)显著增强。
大电流持续通过少量过孔,引发铜离子迁移(电迁移),使过孔电阻逐渐增大,最终开路。同时,局部热膨胀系数差异导致板材分层,过孔孔壁铜层开裂风险增加。
所以在电源过孔里,如果不会计算过孔的话,能多过孔就尽量多过孔,如果高频板则需要多一些计算和仿真测试,再考虑过孔数量。
对于接地过孔,我比较推荐电源的地走一块小的完整的铜皮连接在一起,而接地过孔紧密靠近每个焊盘,缩短回流路径,而其他正常的接地焊盘则就近走线过孔接地平面,然后顶层则不铺大面积的地铜了。
如下图这样,焊盘旁边就近放置过孔,然后完整的小块铜皮包裹这些焊盘,这样抗干扰能力要强过大铜皮覆盖的情况,因为这样回流路径最短,大电容和小电容的回流速度近乎一致,能充分让电容发挥作用,而且由于没有了大面积铺铜,所以辐射不会影响到一块铜皮进而影响到整个电路板,而是只能影响一小部分的铜皮。

注:以上仅个人观点,如有错误,恳请批评指正
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