PCB叠层设计原则有哪些，需要注意什么问题

中信华

　　PCB叠层设计原则有哪些，需要注意什么问题
- `0 w7 w3 }& l- w1 [) i8 S
& ?* l/ f/ d! q9 x8 C7 ~+ |　　PCB叠层设计的好坏将直接影响整个电路的性能。
% ]* S! O4 d% L& g　　好的PCB叠层设计不仅可以有效地提高电源质量，减少串扰和EMI，还能节约成本，为布线提供便利，这是任何高速PCB设计者都必须首先考虑的问题。总体来说，叠层设计要尽量遵循以下规则。
　　1.覆铜层最好承兑设置，如6层板的第2层与第5层，或者第3层与第4层要一起覆铜，这是考虑到工艺上平横结构的要求，因为不平衡的覆铜层可能会导致PCB膨胀时的翘曲变形。
　　2.最好每个信息号层都能和至少一个覆铜层紧邻，这有利于阻抗控制和提高信号质量。
　　3.缩短电源和地层的距离，可以降低电源的阻抗。在高速情况下，可以加入多余的地层来隔离信号层，但建议不要多加电源层来隔离，因为电源层会带来较多的高频噪声干扰。
　　但实际情况中，上述规则往往不可能同时满足，这时就要根据实际情况考虑一种相对来说比较合理的解决办法。
, P; f/ g" R, N8 B- A6 s, D
　　下面根据层数的不同来分析一下几种典型的叠层设计方案。
& D$ J4 ?5 l5 F$ p
% R- ?+ D* y! k' M! {  U! Z8 H　　(1)单面板和双面板：单面板一般应用于很低频（200kHz以下）的电路系统设计，如简单仪器、工程控制板等。由于没有较大区域进行覆铜，一般都采用总线形式的电源和地供应系统，因而回流面积较大，容易产生EMI,同时也很容易受外界RF电磁场和静电放电的影响。在进行单面板的布线设计时，一般首先设计电源和地线的结构，然后进行少量高速信号的布线，尽量靠近地线，最后布剩余的信号线。
! i. P7 q& A4 R; [8 c! Z2 X
　　设计中要尽量遵循以下5个原则。
( o( Z' e+ F+ |　　重要的布线（如时钟信号）一定要紧靠地线。
% Z/ X: _, ?; r& R6 x　　1.布局时根据元器件特性划分区域，如将对噪声敏感的元器件放在一起。将包含关键信号（如时钟）的元器件摆放在一起，高速信号之间，以及和其他信号之间要保持一定的隔离。如果有不同的地（模拟地和数字地），要分开处理，一般采用单点接地。
: D' f2 E! ?$ W; x8 Y  }　　2.电源和地线尽可能靠近，减小各种电流回路的面积。
  m( e3 a1 C. t1 O. v7 J　　3.图1-2-7所示的做法是不可取的，电源和地线离得较远，很多区域回路面积很大。同时，由于电源和地交错，信号布线的区域被限制，只能从元器件中间布线，増加了干扰。可以参考图1-2-8中所示的布线方式。
( `7 H9 E3 G2 D　　4.与单面板相比，双面板增加了一层布线空间，优化了电源和地的设计，所以性能也有所提高。较常见的设计是表层设计为电源+信号，
　　5.底层为地+信号，电源和地可以采用交叉总线的结构，也可以采用大面积覆铜的形式，具体情况视实际布线空间而定。
, Y9 I. P( I: v$ @, S& Q( D5 S　　还有一种较好的设计思路是，每一层面都按照单面板的设计要求来实现，然后进一步调整优化，如加粗电源/底线，空余地方大面积覆铜等。
; g9 Z1 ^# }, W* C
: F. k, j& s$ p+ c6 Z

图1-2-7较差的单面板设计

, I+ p* O& {+ e  V2 h% x

图1-2-8较好的单面板设计

　　注意
　　双面板和单面板一样，都不符合EMC的要求，因为虽然信号布线下方（背面）可能存在参考平面，但是由于PCB太厚（大概62mil),RF信号的回流很少通过低电感的参考平面，从而产生较强的电磁福射
5 O' E, h* b! g8 S
. }  a; L, C# s4 o/ L　　(2)4层板：4层以上的PCB—般都能保证良好的EMC和其他电气性能，所以对于较高速的电路设计，一定要求采用多层板。4层板的设计大致有两种形式：一是均匀间距，另一种是非均匀间距。（4层板的结构如图1-2-9所示。）
　　对于均匀间距的设计来说，最大的优点在于电源和地之间的间距很小，可以大幅度降低电源的阻抗，提高电源的稳定性;但缺点在于两层信号层的阻抗高，通常为105~130Q,而且由于信号层和参考平面之间的间距较大，増加了信号回流的面积，EMI较强。而采用了后一种非均匀间距的设计，就可以较好地进行阻抗控制，信号靠近参考平面也有利于提高信号的质量，减少EMI,唯一的缺点就是电源和地之间的间距太大，造成电源和地的耦合减弱，阻抗増加，但这一点可以通过増加旁路电容来改善。实际高速电路设计一般要求进行阻抗控制和提高信号质量，所以较多采用非均匀的4层板设计，两层信号层的空白区域也可以进行大面积的铺地处理。
. z' \) j7 X. n% D

图1-2-9 4层板的结构

　　还有一种较为特别的设计是表层的底层作为地和电源层，而中间两层作为信号层，这对EMI抑制和散热等方面较为有利，但是也带来很多不良的效果，如很难进行测量和调试，工艺焊接、装配时会有一些困难，另外电源和地的耦合也需要使用大量的旁路电容实现，一般不建议采用这种方案。
- f: M- T; Y, C% c4 T/ Z7 \; t7 U2 ]
7 I1 M3 R! V" k9 O7 D) I　　(3)6层板：随着电路复杂度的増加，PCB的设计也朝着高密度、高要求的方向发展。6层板的应用也越来越广泛，如内存模块的PCB,从PC100开始，就明确规定一定要使用至少6层板的结构。因为多层板无论在电气特性、对电磁辐射的抑制，还是在抵抗物理机械损伤的能力上都明显优于低层数的PCB。典型的6层板结构如图1-2-10所示
　　这两种方案中，方案2由于表层和底层没有参考平面相邻，在阻抗控制上有一定的困难，必须加粗线宽或通过増加沉铜的厚度来达到设计的阻抗要求。一般被广泛采用的是方案1,每个信号层都有较近的参考平面相邻，阻抗容易控制，同时对抑制串扰和电磁福射也有利，电源和地的耦合则可以通过有效的旁路电容设计得到改善。
0 x+ T4 X0 t3 {# [& x3 u　　在所有布线层中，一般紧靠地层的内部信号层是最佳的布线层，
* H8 {% a! T# @  q7 {9 ^+ E4 ]　　如图1-2-10所示方案中的lnnerSignal2层。所谓最佳布线层，就是指所有层中最不容易受干扰，电磁场屏蔽性能最好的信号层。高速PCB设计要求电路中的关键或高频的信号尽量走在最佳布线层，以得到最好的信号质量和最低的电磁福射。次佳的布线层是以电源平面为参考的内部信号布线层，如InnerSignal1层。

5 I8 r' ?$ m/ L3 D　　(4)8层板：8层板的设计方案有很多种，这里介绍应用最广泛的两种叠层设计。根据布线密度的要求，在设计8层板时要考虑究竟使用几个覆铜层，如果要求最大的布线空间，可以只使用一对电源/地层，如图1-2-11(a)所示。其效果有点类似于6层板的方案2,只是电源和地的耦合性更差，如果不是一定要求进行6层信号布线，则要慎用此结构。对于8层板来说，最好的叠层设计是图1-2-11(b)所示的结构，有4层覆铜，可以有效地降低电源阻抗，并包含两层最佳布线层，大大提高了信号的质量。这种方案其实就是6层板方案2的性能改善结构，布线空间还是一样，一般应用于对信号和电源质量要求很高的电路设计，而普通电路设计考虑到成本问题，大多会采用6层板。

图1-2-10典型的6层板结构

1 O' P$ O0 j  S# t2 v) d* `

图1-2-11 8层板常见两种方案

4 y' o! l0 q1 h' ]1 n5 N3 x　　10层或更多层的PCB叠层设计就不再细述，因为大致的思想都一样。

% r- |) s$ X/ b% G, J　　注意：
- {+ r( f! m1 `8 m, f$ R0 |　　前面提到的各种方案都是指单电源的情况，如果实际系统中包含多种电源，则要采取电源分割的方法，
/ U  R8 b" s$ O. q; k. U( t: J　　基本思路是保障主电源对地要良好耦合。

zmmdmn

性能有所提高