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一到八層線路板的疊層設(shè)計方式

2016-08-03 08:52

  線路板的疊層安排是對PCB的整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。疊層設(shè)計如有缺陷,將最終影響到整機(jī)的EMC性能??偟膩碚f疊層設(shè)計主要要遵從兩個規(guī)矩:

  1. 每個走線層都必須有一個鄰近的參考層(電源或地層);

  2. 鄰近的主電源層和地層要保持最小間距,以提供較大的耦合電容;

  下面列出從單層板到八層板的疊層:

  1、單面板和雙面板的疊層

  對于兩層板來說,由于板層數(shù)量少,已經(jīng)不存在疊層的問題??刂艵MI輻射主要從布線和布局來考慮;

  單層板和雙層板的電磁兼容問題越來越突出。造成這種現(xiàn)象的主要原因就是因是信號回路面積過大,不僅產(chǎn)生了較強(qiáng)的電磁輻射,而且使電路對外界干擾敏感。要改善線路的電磁兼容性,最簡單的方法是減小關(guān)鍵信號的回路面積。

  關(guān)鍵信號:從電磁兼容的角度考慮,關(guān)鍵信號主要指產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的信號和對外界敏感的信號。能夠產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的信號一般是周期性信號,如時鐘或地址的低位信號。對干擾敏感的信號是指那些電平較低的模擬信號。

  單、雙層板通常使用在低于10KHz的低頻模擬設(shè)計中:

  1.在同一層的電源走線以輻射狀走線,并最小化線的長度總和;

  2.走電源、地線時,相互靠近;在關(guān)鍵信號線邊上布一條地線,這條地線應(yīng)盡量靠近信號線。這樣就形成了較小的回路面積,減小差模輻射對外界干擾的敏感度。當(dāng)信號線的旁邊加一條地線后,就形成了一個面積最小的回路,信號電流肯定會取道這個回路,而不是其它地線路徑。

  3.如果是雙層線路板,可以在線路板的另一面,緊靠近信號線的下面,沿著信號線布一條地線,一線盡量寬些。這樣形成的回路面積等于pcb線路板的厚度乘以信號線的長度。

  2、四層板的疊層

  推薦疊層方式:

  2.1 SIG-GND(PWR)-PWR (GND)-SIG;

  2.2 GND-SIG(PWR)-SIG(PWR)-GND;

  對于以上兩種疊層設(shè)計,潛在的問題是對于傳統(tǒng)的1.6mm(62mil)板厚。層間距將會變得很大,不僅不利于控制阻抗,層間耦合及屏蔽;特別是電源地層之間間距很大,降低了板電容,不利于濾除噪聲。

  對于第一種方案,通常應(yīng)用于板上芯片較多的情況。這種方案可得到較好的SI性能,對于EMI性能來說并不是很好,主要要通過走線及其他細(xì)節(jié)來控制。主要注意:地層放在信號最密集的信號層的相連層,有利于吸收和抑制輻射;增大板面積,體現(xiàn)20H規(guī)則。

  對于第二種方案,通常應(yīng)用于板上芯片密度足夠低和芯片周圍有足夠面積(放置所要求的電源覆銅層)的場合。此種方案PCB的外層均為地層,中間兩層均為信號/電源層。信號層上的電源用寬線走線,這可使電源電流的路徑阻抗低,且信號微帶路徑的阻抗也低,也可通過外層地屏蔽內(nèi)層信號輻射。從EMI控制的角度看,這是現(xiàn)有的最佳4層PCB結(jié)構(gòu)。主要注意:中間兩層信號、電源混合層間距要拉開,走線方向垂直,避免出現(xiàn)串?dāng)_;適當(dāng)控制板面積,體現(xiàn)20H規(guī)則;如果要控制走線阻抗,上述方案要非常小心地將走線布置在電源和接地鋪銅島的下邊。另外,電源或地層上的鋪銅之間應(yīng)盡可能地互連在一起,以確保DC和低頻的連接性。

  3、六層板的疊層

  對于芯片密度較大、時鐘頻率較高的設(shè)計應(yīng)考慮6層板的設(shè)計

  推薦疊層方式:

  3.1 SIG-GND-SIG-PWR-GND-SIG;

  對于這種方案,這種疊層方案可得到較好的信號完整性,信號層與接地層相鄰,電源層和接地層配對,每個走線層的阻抗都可較好控制,且兩個地層都是能良好的吸收磁力線。并且在電源、地層完整的情況下能為每個信號層都提供較好的回流路徑。

  3.2 GND-SIG-GND-PWR-SIG -GND;

  對于這種方案,該種方案只適用于器件密度不是很高的情況,這種疊層具有上面疊層的所有優(yōu)點,并且這樣頂層和底層的地平面比較完整,能作為一個較好的屏蔽層來使用。需要注意的是電源層要靠近非主元件面的那一層,因為底層的平面會更完整。因此,EMI性能要比第一種方案好。

  小結(jié):對于六層板的方案,電源層與地層之間的間距應(yīng)盡量減小,以獲得好的電源、地耦合。但62mil的板厚,層間距雖然得到減小,還是不容易把主電源與地層之間的間距控制得很小。對比第一種方案與第二種方案,第二種方案成本要大大增加。因此,我們疊層時通常選擇第一種方案。設(shè)計時,遵循20H規(guī)則和鏡像層規(guī)則設(shè)計

  4、八層板的疊層

  八層板通常使用下面三種疊層方式

  4.1 由于差的電磁吸收能力和大的電源阻抗導(dǎo)致這種不是一種好的疊層方式。它的結(jié)構(gòu)如下:

  1 Signal 1 元件面、微帶走線層

  2 Signal 2 內(nèi)部微帶走線層,較好的走線層(X方向)

  3 Ground

  4 Signal 3 帶狀線走線層,較好的走線層(Y方向)

  5 Signal 4 帶狀線走線層

  6 Power

  7 Signal 5 內(nèi)部微帶走線層

  8 Signal 6 微帶走線層

  4.2 是第三種疊層方式的變種,由于增加了參考層,具有較好的EMI性能,各信號層的特性阻抗可以很好的控制

  1 Signal 1 元件面、微帶走線層,好的走線層

  2 Ground 地層,較好的電磁波吸收能力

  3 Signal 2 帶狀線走線層,好的走線層

  4 Power 電源層,與下面的地層構(gòu)成優(yōu)秀的電磁吸收

  5 Ground 地層

  6 Signal 3 帶狀線走線層,好的走線層

  7 Power 地層,具有較大的電源阻抗

  8 Signal 4 微帶走線層,好的走線層

  4.3 最佳疊層方式,由于多層地參考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。

  1 Signal 1 元件面、微帶走線層,好的走線層

  2 Ground 地層,較好的電磁波吸收能力

  3 Signal 2 帶狀線走線層,好的走線層

  4 Power 電源層,與下面的地層構(gòu)成優(yōu)秀的電磁吸收

  5 Ground 地層

  6 Signal 3 帶狀線走線層,好的走線層

  7 Ground 地層,較好的電磁波吸收能力

  8 Signal 4 微帶走線層,好的走線層

  五、小結(jié)

  對于如何選擇設(shè)計用幾層板和用什么方式的疊層,要根據(jù)線路板上信號網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量,器件密度,PIN密度,信號的頻率,板的大小等許多因素。對于這些因素我們要綜合考慮。對于信號網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量越多,器件密度越大,PIN密度越大,信號的頻率越高的設(shè)計應(yīng)盡量采用多層板設(shè)計。為得到好的EMI性能最好保證每個信號層都有自己的參考層。

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