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PCB叠层设计

  • 2019-09-02 00:00
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    PCB叠层设计的好坏将直接影响整个电路的性能。

    好的PCB叠层设计不仅可以有效地提高电源质量,减少串扰和EMI,还能节约成本,为布线提供便利,这是任何高速PCB设计者都必须首先考虑的问题。总体来说,叠层设计要尽量遵循以下规则。

    覆铜层最好承兑设置,如6层板的第2层与第5层,或者第3层与第4层要一起覆铜,这是考虑到工艺上平横结构的要求,因为不平衡的覆铜层可能会导致PCB膨胀时的翘曲变形。

    最好每个信息号层都能和至少一个覆铜层紧邻,这有利于阻抗控制和提高信号质量。

    缩短电源和地层的距离,可以降低电源的阻抗。在高速情况下,可以加入多余的地层来隔离信号层,但建议不要多加电源层来隔离,因为电源层会带来较多的高频噪声干扰。

    但实际情况中,上述规则往往不可能同时满足,这时就要根据实际情况考虑一种相对来说比较合理的解决办法。

    下面根据层数的不同来分析一下几种典型的叠层设计方案。

    (1)单面板和双面板:单面板一般应用于很低频(200kHz以下)的电路系统设计,如简单仪器、工程控制板等。由于没有较大区域进行覆铜,一般都采用总线形式的电源和地供应系统,因而回流面积较大,容易产生EMI,同时也很容易受外界RF电磁场和静电放电的影响。在进行单面板的布线设计时,一般首先设计电源和地线的结构,然后进行少量高速信号的布线,尽量靠近地线,最后布剩余的信号线。

    设计中要尽量遵循以下5个原则。

    重要的布线(如时钟信号)一定要紧靠地线。

    布局时根据元器件特性划分区域,如将对噪声敏感的元器件放在一起。将包含关键信号(如时钟)的元器件摆放在一起,高速信号之间,以及和其他信号之间要保持一定的隔离。如果有不同的地(模拟地和数字地),要分开处理,一般采用单点接地。

    电源和地线尽可能靠近,减小各种电流回路的面积。

    图1-2-7所示的做法是不可取的,电源和地线离得较远,很多区域回路面积很大。同时,由于电源和地交错,信号布线的区域被限制,只能从元器件中间布线,増加了干扰。可以参考图1-2-8中所示的布线方式。

    与单面板相比,双面板增加了一层布线空间,优化了电源和地的设计,所以性能也有所提高。较常见的设计是表层设计为电源+信号,

    底层为地+信号,电源和地可以采用交叉总线的结构,也可以采用大面积覆铜的形式,具体情况视实际布线空间而定。

    还有一种较好的设计思路是,每一层面都按照单面板的设计要求来实现,然后进一步调整优化,如加粗电源/底线,空余地方大面积覆铜等。


较差的单面板设计


    图1-2-7较差的单面板设计


较好的单面板设计


    图1-2-8较好的单面板设计

    注意

    双面板和单面板一样,都不符合EMC的要求,因为虽然信号布线下方(背面)可能存在参考平面,但是由于PCB太厚(大概62mil),RF信号的回流很少通过低电感的参考平面,从而产生较强的电磁福射。

    (2)4层板:4层以上的PCB—般都能保证良好的EMC和其他电气性能,所以对于较高速的电路设计,一定要求采用多层板。4层板的设计大致有两种形式:一是均匀间距,另一种是非均匀间距。

    4层板的结构如图1-2-9所示。

    对于均匀间距的设计来说,最大的优点在于电源和地之间的间距很小,可以大幅度降低电源的阻抗,提高电源的稳定性;但缺点在于两层信号层的阻抗高,通常为105~130Q,而且由于信号层和参考平面之间的间距较大,増加了信号回流的面积,EMI较强。而采用了后一种非均匀间距的设计,就可以较好地进行阻抗控制,信号靠近参考平面也有利于提高信号的质量,减少EMI,唯一的缺点就是电源和地之间的间距太大,造成电源和地的耦合减弱,阻抗増加,但这一点可

    以通过増加旁路电容来改善。实际高速电路设计一般要求进行阻抗控制和提高信号质量,所以较多采用非均匀的4层板设计,两层信号层的空白区域也可以进行大面积的铺地处理。


4层板的结构


    图1-2-9 4层板的结构

    还有一种较为特别的设计是表层的底层作为地和电源层,而中间两层作为信号层,这对EMI抑制和散热等方面较为有利,但是也带来很多不良的效果,如很难进行测量和调试,工艺焊接、装配时会有一些困难,另外电源和地的耦合也需要使用大量的旁路电容实现,一般不建议采用这种方案。

    (3)6层板:随着电路复杂度的増加,PCB的设计也朝着高密度、高要求的方向发展。6层板的应用也越来越广泛,如内存模块的PCB,从PC100开始,就明确规定一定要使用至少6层板的结构。因为多层板无论在电气特性、对电磁辐射的抑制,还是在抵抗物理机械损伤的能力上都明显优于低层数的PCB。

    典型的6层板结构如图1-2-10所示

    这两种方案中,方案2由于表层和底层没有参考平面相邻,在阻抗控制上有一定的困难,必须加粗线宽或通过増加沉铜的厚度来达到设计的阻抗要求。一般被广泛采用的是方案1,每个信号层都有较近的参考平面相邻,阻抗容易控制,同时对抑制串扰和电磁福射也有利,电源和地的耦合则可以通过有效的旁路电容设计得到改善。

    在所有布线层中,一般紧靠地层的内部信号层是最佳的布线层,

    如图1-2-10所示方案中的lnnerSignal2层。所谓最佳布线层,就是指所有层中最不容易受干扰,电磁场屏蔽性能最好的信号层。高速PCB设计要求电路中的关键或高频的信号尽量走在最佳布线层,以得到最好的信号质量和最低的电磁福射。次佳的布线层是以电源平面为参考的内部信号布线层,如InnerSignal1层。

    (4)8层板:8层板的设计方案有很多种,这里介绍应用最广泛的两种叠层设计。根据布线密度的要求,在设计8层板时要考虑究竟使用几个覆铜层,如果要求最大的布线空间,可以只使用一对电源/地层,如图1-2-11(a)所示。其效果有点类似于6层板的方案2,只是电源和地的耦合性更差,如果不是一定要求进行6层信号布线,则要慎用此结构。对于8层板来说,最好的叠层设计是图1-2-11(b)所示的结构,有4层覆铜,可以有效地降低电源阻抗,并包含两层最佳布线层,大大提高了信号的质量。这种方案其实就是6层板方案2的性能改善结构,布线空间还是一样,一般应用于对信号和电源质量要求很高的电路设计,而普通电路设计考虑到成本问题,大多会采用6层板。


典型的6层板结构


    图1-2-10典型的6层板结构


8层板常见两种方案


    图1-2-11 8层板常见两种方案

    10层或更多层的PCB叠层设计就不再细述,因为大致的思想都一样。

    注意

    前面提到的各种方案都是指单电源的情况,如果实际系统中包含多种电源,则要采取电源分割的方法,

    基本思路是保障主电源对地要良好耦合。