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PCB叠层设计

前言:

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1.概述

PCB层叠结构设计对产品成本、产品EMC的好坏都有直接的影响。板层的增加,方便了布线,但也增加了成本。设计的时候需要考虑各方面的需求,以达到最佳的平衡。

在完成元器件的预布局后,一般需要对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。

2.层叠选择因素考虑

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。

(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。

(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。

常见的叠层设计:

2.1.4层板叠层结构

###2.2.6层板叠层结构

2.3.8层板叠层结构

下面转载自----->一到八层电路板的叠层设计方式

3.一到八层电路板的叠层设计方式

一、单面板和双面板的叠层

对于两层板来说,由于板层数量少,已经不存在叠层的问题。控制EMI辐射主要从布线和布局来考虑;
  
  单层板和双层板的电磁兼容问题越来越突出。造成这种现象的主要原因就是因是信号回路面积过大,不仅产生了较强的电磁辐射,而且使电路对外界干扰敏感。要改善线路的电磁兼容性,最简单的方法是减小关键信号的回路面积。
  
  关键信号:从电磁兼容的角度考虑,关键信号主要指产生较强辐射的信号和对外界敏感的信号。能够产生较强辐射的信号一般是周期性信号,如时钟或地址的低位信号。对干扰敏感的信号是指那些电平较低的模拟信号。
  
单、双层板通常使用在低于10KHz的低频模拟设计中:

  1. 在同一层的电源走线以辐射状走线,并最小化线的长度总和;
  2. 走电源、地线时,相互靠近;在关键信号线边上布一条地线,这条地线应尽量靠近信号线。这样就形成了较小的回路面积,减小差模辐射对外界干扰的敏感度。当信号线的旁边加一条地线后,就形成了一个面积最小的回路,信号电流肯定会取道这个回路,而不是其它地线路径。
  3. 如果是双层线路板,可以在线路板的另一面,紧靠近信号线的下面,沿着信号线布一条地线,一线尽量宽些。这样形成的回路面积等于pcb线路板的厚度乘以信号线的长度。

二、四层板的叠层

推荐叠层方式:
  
  2.1 SIG-GND(PWR)-PWR (GND)-SIG;
  2.2 GND-SIG(PWR)-SIG(PWR)-GND;

对于以上两种叠层设计,潜在的问题是对于传统的**1.6mm(62mil)**板厚。层间距将会变得很大,不仅不利于控制阻抗,层间耦合及屏蔽;特别是电源地层之间间距很大,降低了板电容,不利于滤除噪声。
  对于第一种方案,通常应用于板上芯片较多的情况。这种方案可得到较好的SI性能,对于EMI性能来说并不是很好,主要要通过走线及其他细节来控制。主要注意:地层放在信号最密集的信号层的相连层,有利于吸收和抑制辐射;增大板面积,体现20H规则。

三、六层板的叠层

对于芯片密度较大、时钟频率较高的设计应考虑6层板的设计
  推荐叠层方式:
  3.1 SIG-GND-SIG-PWR-GND-SIG;
  对于这种方案,这种叠层方案可得到较好的信号完整性,信号层与接地层相邻,电源层和接地层配对,每个走线层的阻抗都可较好控制,且两个地层都是能良好的吸收磁力线。并且在电源、地层完整的情况下能为每个信号层都提供较好的回流路径。
  3.2 GND-SIG-GND-PWR-SIG -GND;
  对于这种方案,该种方案只适用于器件密度不是很高的情况,这种叠层具有上面叠层的所有优点,并且这样顶层和底层的地平面比较完整,能作为一个较好的屏蔽层来使用。需要注意的是电源层要靠近非主元件面的那一层,因为底层的平面会更完整。因此,EMI性能要比第一种方案好。
  小结:对于六层板的方案,**电源层与地层之间的间距应尽量减小,以获得好的电源、地耦合。**但62mil的板厚,层间距虽然得到减小,还是不容易把主电源与地层之间的间距控制得很小。对比第一种方案与第二种方案,第二种方案成本要大大增加。因此,我们叠层时通常选择第一种方案。设计时,遵循20H规则和镜像层规则设计

四、八层板的叠层

八层板通常使用下面三种叠层方式
  4.1 由于差的电磁吸收能力和大的电源阻抗导致这种不是一种好的叠层方式。它的结构如下:
  
  1 Signal 1 元件面、微带走线层
  2 Signal 2 内部微带走线层,较好的走线层(X方向)
  3 Ground
  4 Signal 3 带状线走线层,较好的走线层(Y方向)
  5 Signal 4 带状线走线层
  6 Power
  7 Signal 5 内部微带走线层
  8 Signal 6 微带走线层
  
  4.2 是第三种叠层方式的变种,由于增加了参考层,具有较好的EMI性能,各信号层的特性阻抗可以很好的控制
  
  1 Signal 1 元件面、微带走线层,好的走线层
  2 Ground 地层,较好的电磁波吸收能力
  3 Signal 2 带状线走线层,好的走线层
  4 Power 电源层,与下面的地层构成优秀的电磁吸收
  5 Ground 地层
  6 Signal 3 带状线走线层,好的走线层
  7 Power 地层,具有较大的电源阻抗
  8 Signal 4 微带走线层,好的走线层
  
  4.3 最佳叠层方式,由于多层地参考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。

1 Signal 1 元件面、微带走线层,好的走线层
  2 Ground 地层,较好的电磁波吸收能力
  3 Signal 2 带状线走线层,好的走线层
  4 Power 电源层,与下面的地层构成优秀的电磁吸收
  5 Ground 地层
  6 Signal 3 带状线走线层,好的走线层
  7 Ground 地层,较好的电磁波吸收能力
  8 Signal 4 微带走线层,好的走线层

五、小结

对于如何选择设计用几层板和用什么方式的叠层,要根据电路板上信号网络的数量,器件密度,PIN密度,信号的频率,板的大小等许多因素。对于这些因素我们要综合考虑。对于信号网络的数量越多,器件密度越大,PIN密度越大,信号的频率越高的设计应尽量采用多层板设计。为得到好的EMI性能最好保证每个信号层都有自己的参考层。

参考

1.多层PCB层叠结构

2.PCB层叠设计一般规则-整理

3.一到八层电路板的叠层设计方式

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