在规划多层PCB电路板之前,规划者需求首要依据电路的规划、电路板的尺度和电磁兼容(EMC)的要求来承认所选用的电路板结构,也便是决议选用4层,6层,仍是更多层数的电路板。承认层数之后,再承认内电层的放置方位以及怎么在这些层上散布不同的信号。这便是多层PCB层叠结构的挑选问题。
层叠结构是影响PCB板EMC功用的一个重要要素,也是按捺电磁搅扰的一个重要手法。
本节将介绍多层PCB板层叠结构的相关内容。
关于电源、地的层数以及信号层数承认后,它们之间的相对排布方位是每一个PCB工程师都不能逃避的论题;
层的排布一般准则:
1、承认多层PCB板的层叠结构需求考虑较多的要素。从布线方面来说,层数越多越利于布线,可是制板本钱和难度也会随之添加。关于生产厂家来说,层叠结构对称与否是PCB板制作时需求重视的焦点,所以层数的挑选需求考虑各方面的需求,以到达最佳的平衡。关于有经历的规划人员来说,在完结元器材的预布局后,会对PCB的布线瓶颈处进行要点剖析。结合其他EDA东西剖析电路板的布线密度;再归纳有特别布线要求的信号线如差分线、灵敏信号线等的数量和品种来承认信号层的层数;然后依据电源的品种、阻隔和抗搅扰的要求来承认内电层的数目。这样,整个电路板的板层数目就根本承认了。
2、元件面下面(第二层)为地平面,供给器材屏蔽层以及为顶层布线供给参阅平面;灵敏信号层应该与一个内电层相邻(内部电源/地层),运用内电层的大铜膜来为信号层供给屏蔽。电路中的高速信号传输层应该是信号中心层,而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供给电磁屏蔽,一起也能有用地将高速信号的辐射束缚在两个内电层之间,不对外形成搅扰。
3、一切信号层尽可能与地平面相邻;
4、尽量防止两信号层直接相邻;相邻的信号层之间简单引进串扰,然后导致电路功用失效。在两信号层之间参加地平面能够有用地防止串扰。
5、主电源尽可能与其对应地相邻;
6、统筹层压结构对称。
7、关于母板的层排布,现有母板很难操控平行长间隔布线,关于板级作业频率在50MHZ以上的(50MHZ以下的状况可参照,恰当放宽),主张排布准则:
● 元件面、焊接面为完好的地平面(屏蔽);
●无相邻平行布线层;
●一切信号层尽可能与地平面相邻;
●要害信号与地层相邻,不跨切割区。
注:详细PCB的层的设置时,要对以上准则进行灵敏把握,在体会以上准则的基础上,依据实践单板的需求,如:是否需求一要害布线层、电源、地平面的切割状况等,承认层的排布,切忌生搬硬套,或抠住一点不放。
8、多个接地的内电层能够有用地下降接地阻抗。例如,A信号层和B信号层选用各自独自的地平面,能够有用地下降共模搅扰。
常用的层叠结构:
4层板
下面经过 4 层板的比如来阐明怎么优选各种层叠结构的排列组合办法。
关于常用的 4 层板来说,有以下几种层叠办法(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)。
显着,计划 3 电源层和地层缺少有用的耦合,不该该被选用。
那么计划 1 和计划 2 应该怎么进行挑选呢?
一般状况下,规划人员都会挑选计划 1 作为 4层板的结构。挑选的原因并非计划 2 不可被选用,而是一般的 PCB 板都只在顶层放置元器材,所以选用计划 1 较为稳当。
可是当在顶层和底层都需求放置元器材,而且内部电源层和地层之间的介质厚度较大,耦合欠安时,就需求考虑哪一层安置的信号线较少。关于计划 1而言,底层的信号线较少,能够选用大面积的铜膜来与 POWER 层耦合;反之,假如元器材首要安置在底层,则应该选用计划 2 来制板。
假如选用层叠结构,那么电源层和地线层自身就现已耦合,考虑对称性的要求,一般选用计划 1。
6层板
在完结 4 层板的层叠结构剖析后,下面经过一个 6 层板组合办法的比如来阐明 6 层板层叠结构的排列组合办法和优选办法。
(1)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),Siganl_3(Inner_3),POWER(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。
计划 1 选用了 4 层信号层和 2 层内部电源/接地层,具有较多的信号层,有利于元器材之间的布线作业,可是该计划的缺点也较为显着,表现为以下两方面。
① 电源层和地线层分隔较远,没有充沛耦合。
② 信号层 Siganl_2(Inner_2)和 Siganl_3(Inner_3)直接相邻,信号阻隔性欠好,简单产生串扰。
(2)Siganl_1(Top),Siganl_2(Inner_1),POWER(Inner_2),GND(Inner_3),Siganl_3(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。
计划 2 相关于计划 1,电源层和地线层有了充沛的耦合,比计划 1 有必定的优势,可是
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,信号阻隔欠好,简单产生串扰的问题并没有得到处理。
(3)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),POWER(Inner_3),GND(Inner_4),Siganl_3(Bottom)。
相关于计划 1 和计划 2,计划 3 削减了一个信号层,多了一个内电层,尽管可供布线的层面削减了,可是该计划处理了计划 1 和计划 2 共有的缺点。
① 电源层和地线层严密耦合。
② 每个信号层都与内电层直接相邻,与其他信号层均有有用的阻隔,不易产生串扰。
③ Siganl_2(Inner_2)和两个内电层 GND(Inner_1)和 POWER(Inner_3)相邻,能够用来传输高速信号。两个内电层能够有用地屏蔽外界对 Siganl_2(Inner_2)层的搅扰和Siganl_2(Inner_2)对外界的搅扰。
归纳各个方面,计划 3 显着是最优化的一种,一起,计划 3 也是 6 层板常用的层叠结构。经过对以上两个比如的剖析,信任读者现已对层叠结构有了必定的知道,可是在有些时分,某一个计划并不能满意一切的要求,这就需求考虑各项规划准则的优先级问题。惋惜的是因为电路板的板层规划和实践电路的特色密切相关,不同电路的抗搅扰功用和规划侧要点各有所不同,所以事实上这些准则并没有承认的优先级可供参阅。但能够承认的是,规划准则 2(内部电源层和地层之间应该严密耦合)在规划时需求首要得到满意,别的假如电路中需求传输高速信号,那么规划准则 3(电路中的高速信号传输层应该是信号中心层,而且夹在两个内电层之间)就必须得到满意。
10层板
PCB典型10层板规划
一般通用的布线次序是TOP–GND—信号层—电源层—GND—信号层—电源层—信号层—GND—BOTTOM
自身这个布线次序并不必定是固定的,可是有一些规范和准则来束缚:如top层和bottom的相邻层用GND,保证单板的EMC特性;如每个信号层优选运用GND层做参阅平面;整个单板都用到的电源优先铺整块铜皮;易受搅扰的、高速的、沿跳变的优选走内层等等。
下表给出了多层板层叠结构的参阅计划,供参阅。
PCB规划之叠层结构改进事例(From金百泽科技)
问题点
产品有8组网口与光口,测验时发现第八组光口与芯片间的信号调试不通,导致光口8调试不通,无法作业,其他7组光口通讯正常。
1、问题点承认
依据客户端供给的信息,承以为L6层光口8与芯片8之间的两条差分阻抗线调试不通;
2、客户供给的叠构与规划要求
改进办法
影响阻抗信号要素剖析:
线路图剖析:客户L56层阻抗规划较为特别,L6层阻抗参阅L5/L7层,L5层阻抗参阅L4/L6层,其间L5/L6层互为参阅层,中心未做地层屏蔽,光口8与芯片8之间线路较长,L6层与L5层间存在较长的平行信号线(约30%长度)简单形成彼此搅扰,然后影响了阻抗的精准度,阻抗线的规划屏蔽层不完好,也形成阻抗的不连续性,其他7组部分也有类似问题,但相对较细微。
L56层存在特别规划(均为信号层,存在差分阻抗平行规划、相邻阻抗层间未规划参阅地层),客户端未充沛考虑相邻层走线存在的搅扰,导致调试不通问题。
与客户交流对叠层进行优化,将L45、L56、L67层结构进行了调整,介质层厚度分别由20.87mil、6mil、13mil 调整为5.12mil、22.44mil、5.12mil,将而L4、L7间的参阅地层间的间隔拉近,L56层互为参阅且屏蔽缺乏的线路层间隔拉远,削减搅扰。
优化后的叠层结构:
优化后的阻抗匹配:
改进作用
经过调整叠层结构,拉大L56层相邻信号层之间的间隔,串扰形成的系统故障问题得到处理。