關(guān)于PCB設(shè)計(jì)，只懂多層板選擇原則，卻不知疊層設(shè)計(jì)可不行！

時(shí)間：2021-01-12 10:03:46

關(guān)鍵字： PCB 電路板

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[導(dǎo)讀]PCB層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品成本、產(chǎn)品EMC的好壞都有直接的影響。板層的增加，方便了布線，但也增加了成本。設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮各方面的需求，以達(dá)到最佳的平衡。

PCB層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品成本、產(chǎn)品EMC的好壞都有直接的影響。板層的增加，方便了布線，但也增加了成本。設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮各方面的需求，以達(dá)到最佳的平衡。

圖1

在完成元器件的預(yù)布局后，一般需要對(duì)PCB的布線瓶頸處進(jìn)行重點(diǎn)分析。

結(jié)合其他EDA工具分析電路板的布線密度；再綜合有特殊布線要求的信號(hào)線如差分線、敏感信號(hào)線等的數(shù)量和種類來確定信號(hào)層的層數(shù)；然后根據(jù)電源的種類、隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目。

層疊選擇因素考慮

電路板的層數(shù)越多，特殊信號(hào)層、地層和電源層的排列組合的種類也就越多。

信號(hào)層應(yīng)該與一個(gè)內(nèi)電層相鄰（內(nèi)部電源/地層），利用內(nèi)電層的大銅膜來為信號(hào)層提供屏蔽。
內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合，也就是說，內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度應(yīng)該取較小的值。
電路中的高速信號(hào)傳輸層應(yīng)該是信號(hào)中間層，并且夾在兩個(gè)內(nèi)電層之間。這樣兩個(gè)內(nèi)電層的銅膜可以為高速信號(hào)傳輸提供電磁屏蔽，同時(shí)也能有效地將高速信號(hào)的輻射限制在兩個(gè)內(nèi)電層之間，不對(duì)外造成干擾。
避免兩個(gè)信號(hào)層直接相鄰。相鄰的信號(hào)層之間容易引入串?dāng)_，從而導(dǎo)致電路功能失效。在兩信號(hào)層之間加入地平面可以有效地避免串?dāng)_。
多個(gè)接地的內(nèi)電層可以有效地降低接地阻抗。例如，A信號(hào)層和B信號(hào)層采用各自單獨(dú)的地平面，可以有效地降低共模干擾。
兼顧層結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。

表1

常見的疊層設(shè)計(jì)

1）四層板疊層結(jié)構(gòu)

圖2

2）六層板疊層結(jié)構(gòu)

表2

3）八層板疊層結(jié)構(gòu)

表3

表4

一到八層電路板的疊層設(shè)計(jì)方式

單面板和雙面板的疊層

對(duì)于雙層板來說，由于板層數(shù)量少，已經(jīng)不存在疊層的問題。控制EMI輻射主要從布線和布局來考慮；

單層板和雙層板的電磁兼容問題越來越突出。造成這種現(xiàn)象的主要原因就是信號(hào)回路面積過大，不僅產(chǎn)生了較強(qiáng)的電磁輻射，而且使電路對(duì)外界干擾敏感。要改善線路的電磁兼容性，最簡單的方法是減小關(guān)鍵信號(hào)的回路面積。

關(guān)鍵信號(hào)：從電磁兼容的角度考慮，關(guān)鍵信號(hào)主要指產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的信號(hào)和對(duì)外界敏感的信號(hào)。能夠產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的信號(hào)一般是周期性信號(hào)，如時(shí)鐘或地址的低位信號(hào)。對(duì)干擾敏感的信號(hào)是指那些電平較低的模擬信號(hào)。

單、雙層板通常使用在低于10KHz的低頻模擬設(shè)計(jì)中：

在同一層的電源線以輻射狀走線，并最小化線的長度總和；
走電源、地線時(shí)，相互靠近；在關(guān)鍵信號(hào)線邊上布一條地線，這條地線應(yīng)盡量靠近信號(hào)線。這樣就形成了較小的回路面積，減小差模輻射對(duì)外界干擾的敏感度。當(dāng)信號(hào)線的旁邊加一條地線后，就形成了一個(gè)面積最小的回路，信號(hào)電流肯定會(huì)取道這個(gè)回路，而不是其它地線路徑。
如果是雙層線路板，可以在線路板的另一面，緊靠近信號(hào)線的下面，沿著信號(hào)線布地條地線，一線盡量寬些。這樣形成的回路面積等于PCB線路板的厚度乘以信號(hào)線的長度。

四層板的疊層

推薦疊層方式：

SIG－GND（PWR）－PWR（GND）－SIG
GND－SIG（PWR）－SIG（PWR）－GND

對(duì)于以上兩種疊層設(shè)計(jì)，潛在的問題是對(duì)于傳統(tǒng)的1.6mm（62mil）板厚，層間距將會(huì)變得很大，不僅不利于控制阻抗，也不利于層間耦合及屏蔽；特別是電源地層之間間距很大，降低了板電容，不利于濾除噪聲。

對(duì)于第一種方案，通常應(yīng)用于板上芯片較多的情況。這種方案可得到較好的SI性能，對(duì)于EMI性能來說并不是很好，主要通過走線及其他細(xì)節(jié)來控制。注意：地層放在信號(hào)最密集的信號(hào)層的相連層，有利于吸收和抑制輻射；增大板面積，體現(xiàn)20H規(guī)則。

六層板的疊層

對(duì)于芯片密度較大、時(shí)鐘頻率較高的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮六層板的設(shè)計(jì)。

推薦疊層方式：

SIG－GND－SIG－PWR－GND－SIG；

這種疊層方案可得到較好的信號(hào)完整性，信號(hào)層與接地層相鄰，電源層和接地層配對(duì)，每個(gè)走線層的阻抗都可較好控制，且兩個(gè)地層都是能良好的吸收磁力線，在電源、地層完整的情況下能為每個(gè)信號(hào)層都提供較好的回流路徑。

GND－SIG－GND－PWR－SIG－GND；

該種方案只適用于器件密度不是很高的情況，這種疊層具有上面疊層的所有優(yōu)點(diǎn)，并且這樣頂層和底層的地平面比較完整，能作為一個(gè)較好的屏蔽層來使用。

需要注意的是電源層要靠近非主元件面的那一層，因?yàn)榈讓拥钠矫鏁?huì)更完整。因此，EMI性能要比第一種方案好。

小結(jié)：對(duì)于六層板的方案，電源層與地層之間的間距應(yīng)盡量減小，以獲得好的電源、地耦合。但62mil的板厚，層間距雖然得到減小，還是不容易把主電源與地層之間的間距控制得很小。對(duì)比第一種方案與第二種方案，第二種方案成本要大大增加。因此，我們疊層時(shí)通常選擇第一種方案。設(shè)計(jì)時(shí)，遵循20H規(guī)則和鏡像層規(guī)則設(shè)計(jì)。

八層板的疊層

八層板通常使用下面三種疊層方式：

1）由于電磁吸收能力差且電源阻抗較大，導(dǎo)致這不是一種好的疊層方式，它的結(jié)構(gòu)如下：