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PCB疊層設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2018-08-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

在設(shè)計(jì)多層PCB電路板之前,設(shè)計(jì)者需要首先根據(jù)電路的規(guī)模、電路板的尺寸和電磁兼容(EMC)的要求來(lái)確定所采用的電路板結(jié)構(gòu),也就是決定采用4層,6層,還是更多層數(shù)的電路板。確定層數(shù)之后,再確定內(nèi)電層的放置位置以及如何在這些層上分布不同的信號(hào)。這就是多層PCB層疊結(jié)構(gòu)的選擇問(wèn)題。層疊結(jié)構(gòu)是影響PCB板EMC性能的一個(gè)重要因素,也是抑制電磁干擾的一個(gè)重要手段。本節(jié)將介紹多層PCB板層疊結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于電源、地的層數(shù)以及信號(hào)層數(shù)確定后,它們之間的相對(duì)排布位置是每一個(gè)PCB工程師都不能回避的話題;

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/386122.htm

層的排布一般原則:

1、確定多層PCB板的層疊結(jié)構(gòu)需要考慮較多的因素。從布線方面來(lái)說(shuō),層數(shù)越多越利于布線,但是制板成本和難度也會(huì)隨之增加。對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō),層疊結(jié)構(gòu)對(duì)稱與否是PCB板制造時(shí)需要關(guān)注的焦點(diǎn),所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求,以達(dá)到最佳的平衡。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),在完成元器件的預(yù)布局后,會(huì)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(lái)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(lái)確定內(nèi)電層的數(shù)目。這樣,整個(gè)電路板的板層數(shù)目就基本確定了。

2、元件面下面(第二層)為地平面,提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面;敏感信號(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(lái)為信號(hào)層提供屏蔽。電路中的高速信號(hào)傳輸層應(yīng)該是信號(hào)中間層,并且?jiàn)A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。

3、所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰;

4、盡量避免兩信號(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)_。5、主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰;

6、兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

7、對(duì)于母板的層排布,現(xiàn)有母板很難平行長(zhǎng)距離布線,對(duì)于板級(jí)工作頻率在50MHZ以上的(50MHZ以下的情況可參照,適當(dāng)放寬),建議排布原則:

元件面、焊接面為完整的地平面(屏蔽);

無(wú)相鄰平行布線層;

所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰;

關(guān)鍵信號(hào)與地層相鄰,不跨分割區(qū)。

注:具體PCB的層的設(shè)置時(shí),要對(duì)以上原則進(jìn)行靈活掌握,在領(lǐng)會(huì)以上原則的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際單板的需求,如:是否需要一關(guān)鍵布線層、電源、地平面的分割情況等,確定層的排布,切忌生搬硬套,或摳住一點(diǎn)不放。

8、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。

常用的層疊結(jié)構(gòu):

4層板

下面通過(guò) 4 層板的例子來(lái)說(shuō)明如何優(yōu)選各種層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式。

對(duì)于常用的 4 層板來(lái)說(shuō),有以下幾種層疊方式(從頂層到底層)。(1)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),POWER(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。

(2)Siganl_1(Top),POWER(Inner_1),GND(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。

(3)POWER(Top),Siganl_1(Inner_1),GND(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。顯然,方案 3 電源層和地層缺乏有效的耦合,不應(yīng)該被采用。

那么方案 1 和方案 2 應(yīng)該如何進(jìn)行選擇呢?一般情況下,設(shè)計(jì)人員都會(huì)選擇方案 1 作為 4層板的結(jié)構(gòu)。選擇的原因并非方案 2 不可被采用,而是一般的 PCB 板都只在頂層放置元器件,所以采用方案 1 較為妥當(dāng)。但是當(dāng)在頂層和底層都需要放置元器件,而且內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度較大,耦合不佳時(shí),就需要考慮哪一層布置的信號(hào)線較少。對(duì)于方案 1而言,底層的信號(hào)線較少,可以采用大面積的銅膜來(lái)與 POWER 層耦合;反之,如果元器件主要布置在底層,則應(yīng)該選用方案 2 來(lái)制板。

如果采用如圖 11-1 所示的層疊結(jié)構(gòu),那么電源層和地線層本身就已經(jīng)耦合,考慮對(duì)稱性的要求,一般采用方案 1。

6層板

在完成 4 層板的層疊結(jié)構(gòu)分析后,下面通過(guò)一個(gè) 6 層板組合方式的例子來(lái)說(shuō)明 6 層板層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式和優(yōu)選方法。(1)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),Siganl_3(Inner_3),POWER(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。方案 1 采用了 4 層信號(hào)層和 2 層內(nèi)部電源/接地層,具有較多的信號(hào)層,有利于元器件之間的布線工作,但是該方案的缺陷也較為明顯,表現(xiàn)為以下兩方面。

① 電源層和地線層分隔較遠(yuǎn),沒(méi)有充分耦合。

② 信號(hào)層 Siganl_2(Inner_2)和 Siganl_3(Inner_3)直接相鄰,信號(hào)隔離性不好,容易發(fā)生串?dāng)_。(2)Siganl_1(Top),Siganl_2(Inner_1),POWER(Inner_2),GND(Inner_3),Siganl_3(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。方案 2 相對(duì)于方案 1,電源層和地線層有了充分的耦合,比方案 1 有一定的優(yōu)勢(shì),但是

Siganl_1(Top)和 Siganl_2(Inner_1)以及 Siganl_3(Inner_4)和 Siganl_4(Bottom)信號(hào)層直接相鄰,信號(hào)隔離不好,容易發(fā)生串?dāng)_的問(wèn)題并沒(méi)有得到解決。(3)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),POWER(Inner_3),GND(Inner_4),Siganl_3(Bottom)。相對(duì)于方案 1 和方案 2,方案 3 減少了一個(gè)信號(hào)層,多了一個(gè)內(nèi)電層,雖然可供布線的層面減少了,但是該方案解決了方案 1 和方案 2 共有的缺陷。

① 電源層和地線層緊密耦合。

② 每個(gè)信號(hào)層都與內(nèi)電層直接相鄰,與其他信號(hào)層均有有效的隔離,不易發(fā)生串?dāng)_。

③ Siganl_2(Inner_2)和兩個(gè)內(nèi)電層 GND(Inner_1)和 POWER(Inner_3)相鄰,可以用來(lái)傳輸高速信號(hào)。兩個(gè)內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對(duì) Siganl_2(Inner_2)層的干擾和Siganl_2(Inner_2)對(duì)外界的干擾。

綜合各個(gè)方面,方案 3 顯然是最優(yōu)化的一種,同時(shí),方案 3 也是 6 層板常用的層疊結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)例子的分析,相信讀者已經(jīng)對(duì)層疊結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識(shí),但是在有些時(shí)候,某一個(gè)方案并不能滿足所有的要求,這就需要考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)原則的優(yōu)先級(jí)問(wèn)題。遺憾的是由于電路板的板層設(shè)計(jì)和實(shí)際電路的特點(diǎn)密切相關(guān),不同電路的抗干擾性能和設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)各有所不同,所以事實(shí)上這些原則并沒(méi)有確定的優(yōu)先級(jí)可供參考。但可以確定的是,設(shè)計(jì)原則 2(內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合)在設(shè)計(jì)時(shí)需要首先得到滿足,另外如果電路中需要傳輸高速信號(hào),那么設(shè)計(jì)原則 3(電路中的高速信號(hào)傳輸層應(yīng)該是信號(hào)中間層,并且?jiàn)A在兩個(gè)內(nèi)電層之間)就必須得到滿足。

10層板

PCB典型10層板設(shè)計(jì)

一般通用的布線順序是TOP--GND---信號(hào)層---電源層---GND---信號(hào)層---電源層---信號(hào)層---GND---BOTTOM

本身這個(gè)布線順序并不一定是固定的,但是有一些標(biāo)準(zhǔn)和原則來(lái)約束:如top層和bottom的相鄰層用GND,確保單板的EMC特性;如每個(gè)信號(hào)層優(yōu)選使用GND層做參考平面;整個(gè)單板都用到的電源優(yōu)先鋪整塊銅皮;易受干擾的、高速的、沿跳變的優(yōu)選走內(nèi)層等等。

下表給出了多層板層疊結(jié)構(gòu)的參考方案,供參考。

PCB設(shè)計(jì)之疊層結(jié)構(gòu)改善案例(From金百澤科技)

問(wèn)題點(diǎn)

產(chǎn)品有8組網(wǎng)口與光口,測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)第八組光口與芯片間的信號(hào)調(diào)試不通,導(dǎo)致光口8調(diào)試不通,無(wú)法工作,其他7組光口通信正常。


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