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[導讀]PCB層疊結構設計對產品成本、產品EMC的好壞都有直接的影響。板層的增加,方便了佈線,但也增加了成本。設計的時候需要考慮各方面的需求,以達到最佳的平衡。


PCB層疊結構設計對產品成本、產品EMC的好壞都有直接的影響。板層的增加,方便了佈線,但也增加了成本。設計的時候需要考慮各方面的需求,以達到最佳的平衡。

圖1

在完成元器件的預佈局後,一般需要對PCB的佈線瓶頸處進行重點分析。
結合其他EDA工具分析電路板的佈線密度;再綜合有特殊佈線要求的信號線如差分線、敏感信號線等的數量和種類來確定信號層的層數;然後根據電源的種類、隔離和抗干擾的要求來確定內電層的數目。



層疊選擇因素考慮


電路板的層數越多,特殊信號層、地層和電源層的排列組合的種類也就越多。

  • 信號層應該與一個內電層相鄰(內部電源/地層),利用內電層的大銅膜來為信號層提供屏蔽。
  • 內部電源層和地層之間應該緊密耦合,也就是説,內部電源層和地層之間的介質厚度應該取較小的值。
  • 電路中的高速信號傳輸層應該是信號中間層,並且夾在兩個內電層之間。這樣兩個內電層的銅膜可以為高速信號傳輸提供電磁屏蔽,同時也能有效地將高速信號的輻射限制在兩個內電層之間,不對外造成干擾。
  • 避免兩個信號層直接相鄰。相鄰的信號層之間容易引入串擾,從而導致電路功能失效。在兩信號層之間加入地平面可以有效地避免串擾。
  • 多個接地的內電層可以有效地降低接地阻抗。例如,A信號層和B信號層採用各自單獨的地平面,可以有效地降低共模干擾。
  • 兼顧層結構的對稱性。

表1


常見的疊層設計
1)四層板疊層結構

圖2

2)六層板疊層結構

表2

3)八層板疊層結構
表3
表4



一到八層電路板的疊層設計方式


單面板和雙面板的疊層
對於雙層板來説,由於板層數量少,已經不存在疊層的問題。 控制EMI輻射主要從佈線和佈局來考慮;
單層板和雙層板的電磁兼容問題越來越突出。造成這種現象的主要原因就是信號迴路面積過大,不僅產生了較強的電磁輻射,而且使電路對外界干擾敏感。要改善線路的電磁兼容性,最簡單的方法是減小關鍵信號的迴路面積。

關鍵信號:從電磁兼容的角度考慮,關鍵信號主要指產生較強輻射的信號和對外界敏感的信號。能夠產生較強輻射的信號一般是週期性信號,如時鐘或地址的低位信號。對干擾敏感的信號是指那些電平較低的模擬信號。


單、雙層板通常使用在低於10KHz的低頻模擬設計中:
  • 在同一層的電源線以輻射狀走線,並最小化線的長度總和;

  • 走電源、地線時,相互靠近;在關鍵信號線邊上布一條地線,這條地線應儘量靠近信號線。這樣就形成了較小的迴路面積,減小差模輻射對外界干擾的敏感度。當信號線的旁邊加一條地線後,就形成了一個面積最小的迴路,信號電流肯定會取道這個迴路,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,緊靠近信號線的下面,沿着信號線布地條地線,一線儘量寬些。這樣形成的迴路面積等於PCB線路板的厚度乘以信號線的長度。
四層板的疊層
推薦疊層方式:
  • SIG-GND(PWR)-PWR(GND)-SIG

  • GND-SIG(PWR)-SIG(PWR)-GND

對於以上兩種疊層設計,潛在的問題是對於傳統的1.6mm(62mil)板厚, 層間距將會變得很大,不僅不利於控制阻抗,也不利於層間耦合及屏蔽; 特別是電源地層之間間距很大,降低了板電容,不利於濾除噪聲。

對於第一種方案,通常應用於板上芯片較多的情況。這種方案可得到較好的SI性能,對於EMI性能來説並不是很好,主要通過走線及其他細節來控制。注意:地層放在信號最密集的信號層的相連層,有利於吸收和抑制輻射;增大板面積,體現20H規則。

六層板的疊層
對於芯片密度較大、時鐘頻率較高的設計應考慮六層板的設計。
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完整性,信號層與接地層相鄰,電源層和接地層配對,每個走線層的阻抗都可較好控制,且兩個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信號層都提供較好的迴流路徑。
GND-SIG-GND-PWR-SIG-GND;
該種方案只適用於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點,並且這樣頂層和底層的地平面比較完整,能作為一個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,因為底層的平面會更完整。因此,EMI性能要比第一種方案好。

小結:對於六層板的方案,電源層與地層之間的間距應儘量減小,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,我們疊層時通常選擇第一種方案。設計時,遵循20H規則和鏡像層規則設計

八層板的疊層
八層板通常使用下面三種疊層方式:
1)由於電磁吸收能力差且電源阻抗較大,導致這不是一種好的疊層方式,它的結構如下:
  • Signal 1 元件面、微帶走線層

  • Signal 2 內部微帶走線層,較好的走線層(X方向)

  • Ground

  • Signal 3 帶狀線走線層,較好的走線層(Y方向)

  • Signal 4 帶狀線走線層

  • Power

  • Signal 5 內部微帶走線層

  • Signal 6 微帶走線層


2)是第三種疊層方式的變種,由於增加了參考層,具有較好的EMI性能,各信號層的特性阻抗可以很好的控制。
  • Signal 1 元件面、微帶走線層,好的走線層

  • Ground 地層,較好的電磁波吸收能力

  • Signal 2 帶狀線走線層,好的走線層

  • Power 電源層,與下面的地層構成優秀的電磁吸收

  • Ground 地層

  • Signal 3 帶狀線走線層,好的走線層

  • Power 地層,具有較大的電源阻抗

  • Signal 4 微帶走線層,好的走線層


3)最佳疊層方式,由於多層地參考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。
  • Signal 1 元件面、微帶走線層,好的走線層

  • Ground 地層,較好的電磁波吸收能力

  • Signal 2 帶狀線走線層,好的走線層

  • Power 電源層,與下面的地層構成優秀的電磁吸收

  • Ground 地層

  • Signal 3 帶狀線走線層,好的走線層

  • Ground 地層,較好的電磁波吸收能力

  • Signal 4 微帶走線層,好的走線層

對於如何選擇設計用幾層板和用什麼方式的疊層,要根據電路板上信號網絡的數量、器件密度、PIN密度、信號的頻率、板的大小等許多因素。對於這些因素我們要綜合考慮。

對於信號網絡的數量越多,器件密度越大,PIN密度越大,信號的頻率越高的設計應儘量採用多層板設計。為得到好的EMI性能,最好保證每個信號層都有自己的參考層。
在設計多層PCB電路板之前,工程師們首先要根據單路規模、電路板尺寸以及電磁兼容性(EMC)的需求來確定電路板的層疊結構。

在確定層數之後再確定內電層放置位置以及信號的分佈,所以層疊結構的設計尤為重要。


END


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