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多层PCB板的层叠结构规则

2015-1-9 09:48:24 3701 信号传输电路板元器件

0 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，层叠结构对称与否是PCB板制造时需要关注的焦点，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。结合其他EDA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、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。总的原则有以下几条。（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。常用的叠层结构：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。如果采用如图11-1所示的层叠结构，那么电源层和地线层本身就已经耦合，考虑对称性的要求，一般采用方案1。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。（3）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），POWER（Inner_3），GND（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，可以用来传输高速信号。两个内电层可以有效地屏蔽外界对Siganl_2（Inner_2）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。 0
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