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PCB叠层设计层的排布原则


发布者:菠萝制造 | 人气:37 | 发表时间:2019-07-23
  在设计多层PCB电路板之前,设计者需要首先根据电路的规模、电路板的尺寸和电磁兼容(EMC)的要求来确定所采用的电路板结构,也就是决定采用4层,6层,还是更多层数的电路板。确定层数之后,再确定内电层的放置位置以及如何在这些层上分布不同的信号。这就是多层PCB层叠结构的选择问题。




  层叠结构是影响PCB板EMC性能的一个重要因素,也是抑制电磁干扰的一个重要手段。本文介绍多层PCB板层叠结构的相关内容。

  对于电源、地的层数以及信号层数确定后,它们之间的相对排布位置是每一个PCB工程师都不能回避的话题。

  层的排布一般原则

  1、确定多层PCB板的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说,层数越多越利于布线,但是制板成本和难度也会随之增加。对于生产厂家来说,层叠结构对称与否是PCB板制造时需要关注的焦点,所以层数的选择需要考虑各方面的需求,以达到最佳的平衡。对于有经验的设计人员来说,在完成元器件的预布局后,会对PCB的布线瓶颈处进行重点分析。结合其他EDA工具分析电路板的布线密度;再综合有特殊布线要求的信号线如差分线、敏感信号线等的数量和种类来确定信号层的层数;然后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的数目。这样,整个电路板的板层数目就基本确定了。

  2、元件面下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面;敏感信号层应该与一个内电层相邻(内部电源/地层),利用内电层的大铜膜来为信号层提供屏蔽。电路中的高速信号传输层应该是信号中间层,并且夹在两个内电层之间。这样两个内电层的铜膜可以为高速信号传输提供电磁屏蔽,同时也能有效地将高速信号的辐射限制在两个内电层之间,不对外造成干扰。

  3、所有信号层尽可能与地平面相邻。

  4、尽量避免两信号层直接相邻;相邻的信号层之间容易引入串扰,从而导致电路功能失效。在两信号层之间加入地平面可以有效地避免串扰。

  5、主电源尽可能与其对应地相邻。

  6、兼顾层压结构对称。

  7、对于母板的层排布,现有母板很难控制平行长距离布线,对于板级工作频率在50MHZ以上的(50MHZ以下的情况可参照,适当放宽),建议排布原则:

  (1)元件面、焊接面为完整的地平面(屏蔽);

  (2)无相邻平行布线层;

  (3)所有信号层尽可能与地平面相邻;

  (4)关键信号与地层相邻,不跨分割区。

  注:具体PCB的层的设置时,要对以上原则进行灵活掌握,在领会以上原则的基础上,根据实际单板的需求,如:是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割情况等,确定层的排布,切忌生搬硬套,或抠住一点不放。

  8、多个接地的内电层可以有效地降低接地阻抗。例如,A信号层和B信号层采用各自单独的地平面,可以有效地降低共模干扰。

  常用的层叠结构

  4层板

  下面通过4层板的例子来说明如何优选各种层叠结构的排列组合方式。

  对于常用的4层板来说,有以下几种层叠方式(从顶层到底层)。

  (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)。

  显然,方案3电源层和地层缺乏有效的耦合,不应该被采用。

  那么方案1和方案2应该如何进行选择呢?

  一般情况下,设计人员都会选择方案1作为 4层板的结构。选择的原因并非方案2不可被采用,而是一般的PCB板都只在顶层放置元器件,所以采用方案1较为妥当。

  但是当在顶层和底层都需要放置元器件,而且内部电源层和地层之间的介质厚度较大,耦合不佳时,就需要考虑哪一层布置的信号线较少。对于方案1而言,底层的信号线较少,可以采用大面积的铜膜来与POWER层耦合;反之,如果元器件主要布置在底层,则应该选用方案2来制板。

  如果采用层叠结构,那么电源层和地线层本身就已经耦合,考虑对称性的要求,一般采用方案1。

  6层板

  在完成4层板的层叠结构分析后,下面通过一个6层板组合方式的例子来说明6层板层叠结构的排列组合方式和优选方法。

  (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层信号层和2层内部电源/接地层,具有较多的信号层,有利于元器件之间的布线工作,但是该方案的缺陷也较为明显,表现为以下两方面:

  ① 电源层和地线层分隔较远,没有充分耦合。

  ② 信号层Siganl_2(Inner_2)和Siganl_3(Inner_3)直接相邻,信号隔离性不好,容易发生串扰。

  (2)Siganl_1(Top),Siganl_2(Inner_1),POWER(Inner_2),GND(Inner_3),Siganl_3(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。

  方案2相对于方案1,电源层和地线层有了充分的耦合,比方案1有一定的优势,但是Siganl_1(Top)和Siganl_2(Inner_1)以及Siganl_3(Inner_4)和Siganl_4(Bottom)信号层直接相邻,信号隔离不好,容易发生串扰的问题并没有得到解决。

  (3)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),POWER(Inner_3),GND(Inner_4),Siganl_3(Bottom)。

  相对于方案1和方案2,方案3减少了一个信号层,多了一个内电层,虽然可供布线的层面减少了,但是该方案解决了方案1和方案2共有的缺陷。

  ① 电源层和地线层紧密耦合。

  ② 每个信号层都与内电层直接相邻,与其他信号层均有有效的隔离,不易发生串扰。

  ③ Siganl_2(Inner_2)和两个内电层GND(Inner_1)和POWER(Inner_3)相邻,可以用来传输高速信号。两个内电层可以有效地屏蔽外界对Siganl_2(Inner_2)层的干扰和Siganl_2(Inner_2)对外界的干扰。

  综合各个方面,方案3显然是最优化的一种,同时,方案3也是6层板常用的层叠结构。通过对以上两个例子的分析,相信读者已经对层叠结构有了一定的认识,但是在有些时候,某一个方案并不能满足所有的要求,这就需要考虑各项设计原则的优先级问题。遗憾的是由于电路板的板层设计和实际电路的特点密切相关,不同电路的抗干扰性能和设计侧重点各有所不同,所以事实上这些原则并没有确定的优先级可供参考。但可以确定的是,设计原则2(内部电源层和地层之间应该紧密耦合)在设计时需要首先得到满足,另外如果电路中需要传输高速信号,那么设计原则3(电路中的高速信号传输层应该是信号中间层,并且夹在两个内电层之间)就必须得到满足。

  10层板

  PCB典型10层板设计一般通用的布线顺序是TOP---GND---信号层---电源层---GND---信号层---电源层---信号层---GND---BOTTOM

  本身这个布线顺序并不一定是固定的,但是有一些标准和原则来约束:如top层和bottom的相邻层用GND,确保单板的EMC特性;如每个信号层优选使用GND层做参考平面;整个单板都用到的电源优先铺整块铜皮;易受干扰的、高速的、沿跳变的优选走内层等等。

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