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PCB的疊層設計不是層的簡單堆疊,其中地層的安排是關鍵,它與信號的安排和走向有密切的關系。多層板的設計和普通的PCB相比,除了添加了必要的信號走線層之外,最重要的就是安排了獨立的電源和地層(鋪銅層)。在高速數字電路系統中,使用電源和地層來代替以前的電源和地總線的優點主要在于:
1)為數字信號的變換提供一個穩定的參考電壓。
2)均勻地將電源同時加在每個邏輯器件上。
3)有效地抑制信號之間的串擾。
其原因在于,使用大面積鋪銅作為電源和地層大大減小了電源和地的電阻,使得電源層上的電壓均勻平穩,而且可以保證每根信號線都有很近的地平面相對應,這同時也減小了信號線的特征阻抗,也可有效地減少串擾。所以,對于某些高端的高速電路設計,已經明確規定一定要使用6層(或以上的)的疊層方案,如Intel對PC133內存模塊PCB的要求。這主要就是考慮到多層板在電氣特性,以及對電磁輻射的抑制,甚至在抵抗物理機械損傷的能力上都明顯優于低層數的PCB。
一般情況下均按以下原則進行疊層設計:滿足信號的特征阻抗要求;滿足信號回路最小化原則;滿足最小化PCB內的信號干擾要求;滿足對稱原則。具體而言在設計多層板時需要注意以下幾個方面:
1)一個信號層應該和一個敷銅層相鄰,信號層和敷銅層要間隔放置,最好每個信號層都能和至少一個敷銅層緊鄰。信號層應該和臨近的敷銅層緊密耦合(即信號層和臨近敷銅層之間的介質厚度很小)。
2)電源敷銅和地敷銅應該緊密耦合并處于疊層中部。縮短電源和地層的距離,有利于電源的穩定和減少EMI。盡量避免將信號層夾在電源層與地層之間。電源平面與地平面的緊密相鄰好比形成一個平板電容,當兩平面靠的越近,則該電容值就越大。該電容的主要作用是為高頻噪聲(諸如開關噪聲等)提供一個低阻抗回流路徑,從而使接收器件的電源輸入擁有更小的紋波,增強接收器件本身的性能。
3)在高速的情況下,可以加入多余的地層來隔離信號層,多個地敷銅層可以有效地減小PCB的阻抗,減小共模EMI。但建議盡量不要多加電源層來隔離,這樣可能造成不必要的噪聲干擾。
4)系統中的高速信號應該在內層且在兩個敷銅之間,這樣兩個敷銅可以為這些高速信號提供屏蔽作用,并將這些信號的輻射限制在兩個敷銅區域。
5)優先考慮高速信號、時鐘信號的傳輸線模型,為這些信號設計一個完整的參考平面,盡量避免跨平面分割區,以控制特性阻抗和保證信號回流路徑的完整。
6)兩信號層相鄰的情況。對于具有高速信號的板卡,理想的疊層是為每一個高速信號層都設計一個完整的參考平面,但在實際中我們總是需要在PCB層數和PCB成本上做一個權衡。在這種情況下不能避免有兩個信號層相鄰的現象。目前的做法是讓兩信號層間距加大和使兩層的走線盡量垂直,以避免層與層之間的信號串擾。
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