多層PCB電路板設計方法分享

　　在設計多層 PCB 電路板之前，設計者需要首先根據(jù)電路的規(guī)模 電路板的尺寸 電磁兼容（EMC） 電路的規(guī)模、電路板的尺寸電磁兼容（ 電路的規(guī)模 電路板的尺寸和電磁兼容 ） 的要求來確定所采用的電路板結(jié)構(gòu)，也就是決定采用 4 層，6 層，還是更多層數(shù)的電路板。確定層數(shù)的要求之后，再確定內(nèi)電層的放置位置以及如何在這些層上分布不同的信號。這就是多層 PCB 層疊結(jié)構(gòu)的 選擇問題。層疊結(jié)構(gòu)是影響 PCB 板 EMC 性能的一個重要因素 層疊結(jié)構(gòu)是影響 性能的一個重要因素，也是抑制電磁干擾的一個重要手段 抑制電磁干擾的一個重要手段。抑制電磁干擾的一個重要手段 本節(jié)將介紹多層 PCB 板層疊結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。

　　1.層數(shù)的選擇和疊加原則

　　確定多層 PCB 板的層疊結(jié)構(gòu)需要考慮較多的因素。從布線方面來說，層數(shù)越多越利于布線 但是制層數(shù)越多越利于布線，但是制層數(shù)越多越利于布線 板成本和難度也會隨之增加。對于生產(chǎn)廠家來說，層疊結(jié)構(gòu)對稱與否 PCB 板制造時需要關(guān)注的焦 層疊結(jié)構(gòu)對稱與否是 板成本和難度也會隨之增加 層疊結(jié)構(gòu)對稱與否 點，所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求，以達到的平衡。

　　對于有經(jīng)驗的設計人員來說，在完成元器件的預布局后，會對 PCB 的布線瓶頸處進行重點分析 結(jié) 完成元器件的預布局后的布線瓶頸處進行重點分析 頸處進行重點分析。結(jié) 完成元器件的預布局后工具分析電路板的布線密度；再綜合有特殊布線要求的信號線如差分線、敏感信號線 有特殊布線要求的信號線如差分線 合其他 EDA 工具分析電路板的布線密度有特殊布線要求的信號線如差分線、敏感信號線等 的數(shù)量和種類來確定信號層的層數(shù) 然后根據(jù)電源的種類、來確定信號層的層數(shù)； 根據(jù)電源的種類、 隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目。來確定信號層的層數(shù) 根據(jù)電源的種類 隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目 這樣，整個電路板的板層數(shù)目就基本確定了。

　　確定了電路板的層數(shù)后，接下來的工作便是合理地排列各層電路的放置順序。在這一步驟中，需要考慮的因素主要有以下兩點：

　?。?）特殊信號層的分布

　　（2）電源層和地層的分布

　　如果電路板的層數(shù)越多，特殊信號層、地層和電源層的排列組合的種類也就越多，如何來確定哪種組合方式也越困難，但總的原則有以下幾條：

　　地層，利用內(nèi)電層的大銅膜來為信號層提供屏蔽：

　　（1）信號層應該與一個內(nèi)電層相鄰（內(nèi)部電源 地層），利用內(nèi)電層的大銅膜來為信號層提供屏蔽。

　?。?）內(nèi)部電源層和地層之間應該緊密耦合，也就是說，內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度應該取較）內(nèi)部電源層和地層之間應該緊密耦合，也就是說， 小的值，以提高電源層和地層之間的電容，增大諧振頻率。小的值，以提高電源層和地層之間的電容，增大諧振頻率。

　?。?）電路中的高速信號傳輸層應該是信號中間層，并且夾在兩個內(nèi)電層之間。這樣兩個內(nèi)電層的銅膜可以為高速信號傳輸提供電磁屏蔽，同時也能有效地將高速信號的輻射限制在兩個內(nèi)電層之間，不對外造成干擾。

　　（4）避免兩個信號層直接相鄰。相鄰的信號層之間容易引入串擾，從而導致電路功能失效;在兩信號層之間加入地平面可以有效地避免串擾。

　　（5）多個接地的內(nèi)電層可以有效地降低接地阻抗;例如，A 信號層和 B 信號層采用各自單獨的地平 面，可以有效地降低共模干擾。

　　（6）兼顧層結(jié)構(gòu)的對稱性。

　　2.常用的層疊結(jié)構(gòu)

　　下面通過 4 層板的例子來說明如何優(yōu)選各種層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式：

　　對于常用的 4 層板來說，有以下幾種層疊方式（從頂層到底層）：

　?。?）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），POWER（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。

　?。?）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）。

　　顯然，方案 3 電源層和地層缺乏有效的耦合，不應該被采用。

　　那么方案 1 和方案 2 應該如何進行選擇呢？

　　一般情況下，設計人員都會選擇方案 1 作為 4 層板的結(jié)構(gòu)。原因并非方案 2 不可被采用，而是一般的 PCB 板都只在頂層放置元器件，所以采用方案 1 較為 妥當。但是當在頂層和底層都需要放置元器件，而且內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度較大，耦合不佳時，就需要考慮哪一層布置的信號線較少。對于方案 1 而言，底層的信號線較少，可以采用大面積 的銅膜來與 POWER 層耦合；反之，如果元器件主要布置在底層，則應該選用方案 2 來制板。

　　在完成 4 層板的層疊結(jié)構(gòu)分析后， 下面通過一個 6 層板組合方式的例子來說明 6 層板層疊結(jié)構(gòu)的排列 組合方式和優(yōu)選方法：

　?。?）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），Siganl_3（Inner_3），POWER （In）。 方案 1 采用了 4 層信號層和 2 層內(nèi)部電源/接地層，具有較多的信號層，有利于元器件之間的布線工作，但是該方案的缺陷也較為明顯，表現(xiàn)為以下兩方面：

　?、?電源層和地線層分隔較遠，沒有充分耦合

　?、?信號層 Siganl_2（Inner_2）和 Siganl_3（Inner_3）直接相鄰，信號隔離性不好，容易發(fā)生串擾

　?。?）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），POWER（Inner_2），GND（Inner_3），Siganl_3 （In）。

　　方案 2 相對于方案 1， 電源層和地線層有了充分的耦合， 比方案 1 有一定的優(yōu)勢， 但是 Siganl_1 （Top） 和 Siganl_2（Inner_1）以及 Siganl_3（Inner_4）和 Siganl_4（Bottom）信號層直接相鄰，信號隔 離不好，容易發(fā)生串擾的問題并沒有得到解決。

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

　　相對于方案 1 和方案 2，方案 3 減少了一個信號層，多了一個內(nèi)電層，雖然可供布線的層面減少了，但是該方案解決了方案 1 和方案 2 共有的缺陷：

　　① 電源層和地線層緊密耦合

　?、?每個信號層都與內(nèi)電層直接相鄰，與其他信號層均有有效的隔離，不易發(fā)生串擾

　　③ Siganl_2（Inner_2）和兩個內(nèi)電層 GND（Inner_1）和 POWER（Inner_3）相鄰，可以用來傳 （ ） （ ） （ ）相鄰，兩個內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對 Siganl_2 Inner_2） 輸高速信號。 高速信號。 兩個內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對（ ） 層的干擾和 Siganl_2 Inner_2） （ ） 對外界的干擾。

　　綜合各個方面，方案 3 顯然是化的一種，同時，方案 3 也是 6 層板常用的層疊結(jié)構(gòu)。

　　通過對以上兩個例子的分析，相信讀者已經(jīng)對層疊結(jié)構(gòu)有了一定的認識，但是在有些時候，某一個方案并不能滿足所有的要求，這就需要考慮各項設計原則的優(yōu)先級問題。遺憾的是由于電路板的板層設 計和實際電路的特點密切相關(guān)，不同電路的抗干擾性能和設計側(cè)重點各有所不同，所以事實上這些原則并沒有確定的優(yōu)先級可供參考。但可以確定的是，設計原則 2（內(nèi)部電源層和地層之間應該緊密耦 設計原則 （內(nèi)部電源層和地層之間應該緊密耦如果電路中需要傳輸高速信號， 合）在設計時需要首先得到滿足，另外如果電路中需要傳輸高速信號，那么設計原則 3（電路中的高在設計時需要首先得到滿足， 如果電路中需要傳輸高速信號 （ 速信號傳輸層應該是信號中間層，并且夾在兩個內(nèi)電層之間）就必須得到滿足速信號傳輸層應該是信號中間層，并且夾在兩個內(nèi)電層之間）就必須得到滿足。