伴地孔：高速PCB设计的“守护神”

｜在高速电路设计中，那些看似微小的伴地孔，实则是信号完整性的坚实防线。

在当今高速数字电路领域，信号速率已轻松突破5Gbps大关，甚至迈向更高层次。设计师们常常聚焦于线宽、线距和阻抗控制等宏观因素，却容易忽视一个微小但至关重要的细节——伴地孔。

这些看似简单的接地过孔，在高速信号传输中扮演着不可或缺的角色，尤其是在信号换层和过孔切换时，它们成为了维持信号完整性的“守护神”。

01 高速设计的隐形挑战

随着电子设备向高频、高速方向发展，PCB设计面临的挑战已从简单的连通性转向如何保障信号质量。

高速信号的四大困扰

在高速PCB设计中，主要问题可分为四类：因信号传输路径阻抗不连续造成的反射，信号线之间的串扰，地弹噪声，以及电源分配网络问题。

当信号速率超过5Gbps时，任何阻抗不连续点都会导致信号反射，引起波形失真和时序问题。

过孔本身就会带来阻抗突变，因为过孔存在寄生电容和寄生电感。根据清华大学出版社《高速PCB设计经验规则应用实践》中的分析，一个板厚为50mil的PCB，使用内径为10mil、焊盘直径为20mil的过孔。

焊盘与接地铜区域之间的距离为32mil时，过孔的寄生电容约为0.517pF，寄生电感约为1.015nH。

这些寄生参数在低速电路中可能无关紧要，但在高速领域会显著影响信号完整性。

02 伴地孔的工作原理

伴地孔，又称为回流地孔或缝合地孔，是为高速信号在换层时提供低阻抗回流路径的接地过孔。

信号总是选择路径最短

当高频信号通过信号过孔从PCB的一层切换到另一层时，其返回电流需要寻找一个尽可能短的路径从参考平面流回源头。

如果没有足够的伴地孔，返回电流被迫绕远路径，形成大的回流环路，这不仅会增加辐射和串扰，还会导致信号波形失真。

伴地孔的核心作用就是为返回电流提供最短、阻抗最小的路径，确保电流环路面积最小化，从而减少电磁辐射和信号完整性问题。

伴地孔的双重作用

伴地孔在高速PCB设计中同时扮演着电磁兼容（EMC）优化和信号完整性保障的双重角色。

一方面，通过控制回流路径，伴地孔有效减少了电磁辐射，帮助产品通过严格的EMC测试；另一方面，它们维持了信号参考平面的连续性，防止阻抗突变引起的信号失真。

对于差分信号，当信号参考面发生变化时，推荐缝合地过孔和信号过孔的距离小于30mil。

03 伴地孔设计的关键准则

成功的伴地孔设计不是随意放置接地过孔，而是遵循一系列经过验证的工程准则。

何时需要伴地孔？

当信号速率超过5Gbps时，必须使用伴地孔；对于速率较低的信号，在空间允许的情况下也建议添加伴地孔，作为最佳设计实践。

这一阈值是基于信号波长和返回电流路径的计算而确定的。当信号速率达到5Gbps时，返回电流会集中在信号过孔极近的区域内，没有近距离的伴地孔，返回路径阻抗将显著增加。

间距与数量的平衡艺术

伴地孔与信号孔的中心间距是一个关键参数。一般建议保持在35mil至40mil范围内，实际设计中可根据板子密度适当调整。

对于板空间受限的高密度设计，可以适当放宽这一间距，但通常不应超过50mil，否则会影响高频效果。

在伴地孔的排列上，建议在信号过孔四周对称布置，为返回电流提供均匀的低阻抗路径。对于差分过孔，伴地孔应围绕差分对形成对称布局。

下图展示了优化后的伴地孔布局方案：

04 伴地孔实施的常见误区

即使是经验丰富的PCB设计师，也可能在伴地孔设计中落入一些陷阱。

误区一：忽视反焊盘设计

伴地孔的性能不仅取决于其位置和数量，还与过孔的反焊盘设计密切相关。反焊盘是PCB中围绕过孔的非金属化区域，其大小直接影响过孔的阻抗特性。

适当尺寸的反焊盘可以补偿过孔带来的电容效应，维持阻抗连续性。对于AC耦合电容区域，电容正下方的参考地应做挖空处理，以防止阻抗跳变。

误区二：忽视玻纤编织效应

当信号速率达到5-10Gbps时，PCB基材的玻璃纤维编织效应开始影响信号质量。基于FR4的测试数据表明，微带线与玻纤束相对位置差异会导致传输线有效介电常数波动，严重影响高速差分信号。

对于长距离走线，建议避免单一方向走线，采用10度的旋转走线方式以减少玻纤编织效应。 这一考虑应与伴地孔设计结合，共同保障信号完整性。

05 不同场景下的伴地孔策略

伴地孔设计不是一成不变的，需要根据具体应用场景灵活调整。

针对不同接口的专门优化

USB 3.0接口（5Gbps）必须使用伴地孔，在换层处添加回流地孔，并确保信号孔对称布局。

对于更高速的SerDes接口，如PCIe 4.0/5.0，伴地孔的要求更为严格，通常需要更小的间距和更多的地孔数量。

密度受限设计的变通方案

在高密度互连（HDI）PCB设计中，当板空间极为珍贵时，可以采用微孔和背钻技术来优化伴地孔设计。

微孔（直径小于8mil的过孔）占用空间小，允许在有限区域内布置更多伴地孔；背钻技术则可以减少过孔stub（存根）效应，降低信号失真。

对于BGA下方区域，可以使用0.8mm BGA下推荐的过孔尺寸：孔径8mil，焊盘直径18mil，反焊盘直径30mil。

06 伴地孔设计的验证方法

优秀的伴地孔设计必须经过适当验证，确保其达到预期效果。

仿真分析的关键指标

使用SI（信号完整性）仿真工具是验证伴地孔设计有效性的首选方法。通过仿真，可以分析加入伴地孔前后的TDR（时域反射）曲线，评估阻抗连续性改善程度。

重点关注回波损耗（Return Loss）和插入损耗（Insertion Loss） 这两个指标。优秀的伴地孔设计可以显著改善回波损耗，减少因阻抗不匹配引起的反射。

实测验证的实用技巧

对于实际PCB设计，可以通过矢量网络分析仪（VNA） 测量S参数，验证伴地孔对高频性能的影响。同时，时域测量如眼图测试可以直观显示伴地孔对信号质量的改善效果。

一款没有足够伴地孔的PCB设计，其眼图往往表现为抖动增加、眼高减小；而优化伴地孔设计后，眼图张开的程度通常会明显改善。

下图展示了伴地孔优化前后的信号完整性对比：

伴地孔设计虽只是PCB设计中的一个小环节，却在高速电路性能中扮演着决定性角色。那些散布在信号孔周围的微小接地孔，如同忠诚的卫士，默默守护着高速信号的纯净与稳定。

当你的设计迈向千兆比特速率时，别忘了给这些无形的守护者留出一席之地。

对于需要PCBA制造服务的企业，选择一家理解并掌握这些高速设计细节的PCB供应商，将是产品成功的关键一步。