多层PCB电路板设计方法与原则

PCB

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电磁兼容（EMC）电路的规模、电路板的尺寸电磁兼容（电路的规模电路板的尺寸和电磁兼容）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。确定层数的要求之后，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层叠结构是影响性能的一个重要因素，也是抑制电磁干扰的一个重要手段抑制电磁干扰的一个重要手段。抑制电磁干扰的一个重要手段本节将介绍多层 PCB 板层叠结构的相关内容。
1.层数的选择和叠加原则

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层数越多越利于布线，但是制层数越多越利于布线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 PCB 板制造时需要关注的焦层叠结构对称与否是板成本和难度也会随之增加层叠结构对称与否点，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完成元器件的预布局后的布线瓶颈处进行重点分析颈处进行重点分析。结完成元器件的预布局后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、敏感信号线有特殊布线要求的信号线如差分线合其他 EDA 工具分析电路板的布线密度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、来确定信号层的层数；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。来确定信号层的层数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。

确定了电路板的层数后，接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。在这一步骤中，需要考虑的因素主要有以下两点：

（1）特殊信号层的分布
（2）电源层和地层的分布
如果电路板的层数越多，特殊信号层、地层和电源层的排列组合的种类也就越多，如何来确定哪种组合方式最优也越困难，但总的原则有以下几条：
地层，利用内电层的大铜膜来为信号层提供屏蔽:
（1）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。

（2）内部电源层和地层之间应该紧密耦合，也就是说，内部电源层和地层之间的介质厚度应该取较）内部电源层和地层之间应该紧密耦合，也就是说，小的值，以提高电源层和地层之间的电容，增大谐振频率。小的值，以提高电源层和地层之间的电容，增大谐振频率。

（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。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。

（4）避免两个信号层直接相邻。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）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。

（6）兼顾层结构的对称性。

2.常用的层叠结构

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。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。

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 （In）。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 （In）。

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。

），GND（Inner_1），），Siganl_2（Inner_2），），POWER（Inner_3），），GND （3）Siganl_1（Top），）（），（），（），（），（Inner_）。）。

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（）（）（）相邻，两个内电层可以有效地屏蔽外界对 Siganl_2 Inner_2）输高速信号。高速信号。两个内电层可以有效地屏蔽外界对（）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设计原则（内部电源层和地层之间应该紧密耦如果电路中需要传输高速信号，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（电路中的高在设计时需要首先得到满足，如果电路中需要传输高速信号（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。
　

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