工程師應(yīng)該掌握的PCB疊層設(shè)計(jì)內(nèi)容

轉(zhuǎn)自：EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)

總的來說疊層設(shè)計(jì)主要要遵從兩個(gè)規(guī)矩:

1. 每個(gè)走線層都必須有一個(gè)鄰近的參考層(電源或地層);

2. 鄰近的主電源層和地層要保持最小間距,以提供較大的耦合電容;

下面列出從兩層板到八層板的疊層來進(jìn)行示例講解：

一、單面PCB板和雙面PCB板的疊層

對(duì)于兩層板來說，由于板層數(shù)量少，已經(jīng)不存在疊層的問題?？刂艵MI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)象的主要原因就是因信號(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(jiǎn)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：

1）在同一層的電源走線以輻射狀走線，并最小化線的長(zhǎng)度總和；

2）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)取到這個(gè)回路，而不是其它地線路徑。

3）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)線布一條地線，一線盡量寬些。這樣形成的回路面積等于線路板的厚度乘以信號(hào)線的長(zhǎng)度。

二、四層板的疊層

1. SIG－GND(PWR)－PWR (GND)－SIG；2. 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，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，主要要通過走線及其他細(xì)節(jié)來控制。主要注意：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。

對(duì)于第二種方案，通常應(yīng)用于板上芯片密度足夠低和芯片周圍有足夠面積(放置所要求的電源覆銅層)的場(chǎng)合。此種方案PCB的外層均為地層，中間兩層均為信號(hào) /電源層。信號(hào)層上的電源用寬線走線，這可使電源電流的路徑阻抗低，且信號(hào)微帶路徑的阻抗也低，也可通過外層地屏蔽內(nèi)層信號(hào)輻射。從EMI控制的角度看， 這是現(xiàn)有的最佳4層PCB結(jié)構(gòu)。

注意：中間兩層信號(hào)、電源混合層間距要拉開，走線方向垂直，避免出現(xiàn)串?dāng)_；適當(dāng)控制板面積，體現(xiàn)20H規(guī)則；如果要控 制走線阻抗，上述方案要非常小心地將走線布置在電源和接地鋪銅的下邊。另外，電源或地層上的鋪銅之間應(yīng)盡可能地互連在一起，以確保DC和低頻的連接性。

三、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6層板的設(shè)計(jì)，推薦疊層方式：

1.SIG－GND－SIG－PWR－GND－SIG；對(duì)于這種方案，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。并且在電源、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。

2.GND－SIG－GND－PWR－SIG －GND；對(duì)于這種方案，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)。

四、八層板的疊層

1、由于差的電磁吸收能力和大的電源阻抗導(dǎo)致這種不是一種好的疊層方式。它的結(jié)構(gòu)如下：

1.Signal 1 元件面、微帶走線層

2.Signal 2 內(nèi)部微帶走線層，較好的走線層（X方向）

3.Ground

4.Signal 3 帶狀線走線層，較好的走線層（Y方向）

5.Signal 4 帶狀線走線層

6.Power

7.Signal 5 內(nèi)部微帶走線層

8.Signal 6 微帶走線層

2、是第三種疊層方式的變種，由于增加了參考層，具有較好的EMI性能，各信號(hào)層的特性阻抗可以很好的控制。

1.Signal 1 元件面、微帶走線層，好的走線層

2.Ground 地層，較好的電磁波吸收能力

3.Signal 2 帶狀線走線層，好的走線層

4.Power 電源層，與下面的地層構(gòu)成優(yōu)秀的電磁吸收 5.Ground 地層

6.Signal 3 帶狀線走線層，好的走線層

7.Power 地層，具有較大的電源阻抗

8.Signal 4 微帶走線層，好的走線層

3、最佳疊層方式，由于多層地參考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。

1.Signal 1 元件面、微帶走線層，好的走線層

2.Ground 地層，較好的電磁波吸收能力

3.Signal 2 帶狀線走線層，好的走線層

4.Power 電源層，與下面的地層構(gòu)成優(yōu)秀的電磁吸收 5.Ground 地層

6.Signal 3 帶狀線走線層，好的走線層

7.Ground 地層，較好的電磁波吸收能力

8.Signal 4 微帶走線層，好的走線層

對(duì)于如何選擇設(shè)計(jì)用幾層板和用什么方式的疊層，要根據(jù)板上信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量，器件密度，PIN密度，信號(hào)的頻率，板的大小等許多因素。對(duì)于這些因素我們要綜 合考慮。對(duì)于信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量越多，器件密度越大，PIN密度越大，信號(hào)的頻率越高的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用多層板設(shè)計(jì)。為得到好的EMI性能最好保證每個(gè)信號(hào)層都 有自己的參考層。