PCB疊層設計(jì)層的排布原則和(hé)常用層疊結構

       在設計(jì)多(duō)層PCB電(diàn)路闆之前，設計(jì)者需要首先根據電(diàn)路的規模、電(diàn)路闆的尺寸和(hé)電(diàn)磁兼容（EMC）的要求來(lái)确定所采用的電(diàn)路闆結構，也就是決定采用4層，6層，還(hái)是更多(duō)層數(shù)的電(diàn)路闆。确定層數(shù)之後，再确定內(nèi)電(diàn)層的放置位置以及如何在這些(xiē)層上(shàng)分布不同的信号。這就是多(duō)層PCB層疊結構的選擇問題。 

 層疊結構是影(yǐng)響PCB闆EMC性能的一個(gè)重要因素，也是抑制(zhì)電(diàn)磁幹擾的一個(gè)重要手段。本文介紹多(duō)層PCB闆層疊結構的相關內(nèi)容。 

    對于電(diàn)源、地的層數(shù)以及信号層數(shù)确定後，它們之間(jiān)的相對排布位置是每一個(gè)PCB工程師(shī)都不能回避的話(huà)題。 

層的排布一般原則 

    1、确定多(duō)層PCB闆的層疊結構需要考慮較多(duō)的因素。從布線方面來(lái)說，層數(shù)越多(duō)越利于布線，但(dàn)是制(zhì)闆成本和(hé)難度也會(huì)随之增加。對于生(shēng)産廠家(jiā)來(lái)說，層疊結構對稱與否是PCB闆制(zhì)造時(shí)需要關注的焦點，所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求，以達到最佳的平衡。對于有(yǒu)經驗的設計(jì)人(rén)員來(lái)說，在完成元器(qì)件的預布局後，會(huì)對PCB的布線瓶頸處進行(xíng)重點分析。結合其他EDA工具分析電(diàn)路闆的布線密度；再綜合有(yǒu)特殊布線要求的信号線如差分線、敏感信号線等的數(shù)量和(hé)種類來(lái)确定信号層的層數(shù)；然後根據電(diàn)源的種類、隔離和(hé)抗幹擾的要求來(lái)确定內(nèi)電(diàn)層的數(shù)目。這樣，整個(gè)電(diàn)路闆的闆層數(shù)目就基本确定了。 
    2、元件面下面（第二層）為(wèi)地平面，提供器(qì)件屏蔽層以及為(wèi)頂層布線提供參考平面；敏感信号層應該與一個(gè)內(nèi)電(diàn)層相鄰（內(nèi)部電(diàn)源/地層），利用內(nèi)電(diàn)層的大(dà)銅膜來(lái)為(wèi)信号層提供屏蔽。電(diàn)路中的高(gāo)速信号傳輸層應該是信号中間(jiān)層，并且夾在兩個(gè)內(nèi)電(diàn)層之間(jiān)。這樣兩個(gè)內(nèi)電(diàn)層的銅膜可(kě)以為(wèi)高(gāo)速信号傳輸提供電(diàn)磁屏蔽，同時(shí)也能有(yǒu)效地将高(gāo)速信号的輻射限制(zhì)在兩個(gè)內(nèi)電(diàn)層之間(jiān)，不對外造成幹擾。 
    3、所有(yǒu)信号層盡可(kě)能與地平面相鄰。 
    4、盡量避免兩信号層直接相鄰；相鄰的信号層之間(jiān)容易引入串擾，從而導緻電(diàn)路功能失效。在兩信号層之間(jiān)加入地平面可(kě)以有(yǒu)效地避免串擾。 
    5、主電(diàn)源盡可(kě)能與其對應地相鄰。 
    6、兼顧層壓結構對稱。 
    7、對于母闆的層排布，現有(yǒu)母闆很(hěn)難控制(zhì)平行(xíng)長距離布線，對于闆級工作(zuò)頻率在50MHZ以上(shàng)的（50MHZ以下的情況可(kě)參照，适當放寬），建議排布原則： 
    （1）元件面、焊接面為(wèi)完整的地平面（屏蔽）； 
    （2）無相鄰平行(xíng)布線層； 
    （3）所有(yǒu)信号層盡可(kě)能與地平面相鄰； 
    （4）關鍵信号與地層相鄰，不跨分割區(qū)。 
    注：具體(tǐ)PCB的層的設置時(shí)，要對以上(shàng)原則進行(xíng)靈活掌握，在領會(huì)以上(shàng)原則的基礎上(shàng)，根據實際單闆的需求，如：是否需要一關鍵布線層、電(diàn)源、地平面的分割情況等，确定層的排布，切忌生(shēng)搬硬套，或摳住一點不放。 

    8、多(duō)個(gè)接地的內(nèi)電(diàn)層可(kě)以有(yǒu)效地降低(dī)接地阻抗。例如，A信号層和(hé)B信号層采用各自單獨的地平面，可(kě)以有(yǒu)效地降低(dī)共模幹擾。 

常用的層疊結構 

    4層闆 
    下面通(tōng)過4層闆的例子來(lái)說明(míng)如何優選各種層疊結構的排列組合方式。 
    對于常用的4層闆來(lái)說，有(yǒu)以下幾種層疊方式（從頂層到底層）。 
    (1)Siganl_1(Top)，GND(Inner_1)，POWER(Inner_2)，Siganl_2(Bottom)。 
    (2)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(diàn)源層和(hé)地層缺乏有(yǒu)效的耦合，不應該被采用。 

    那(nà)麽方案1和(hé)方案2應該如何進行(xíng)選擇呢? 
    一般情況下，設計(jì)人(rén)員都會(huì)選擇方案1作(zuò)為(wèi) 4層闆的結構。選擇的原因并非方案2不可(kě)被采用，而是一般的PCB闆都隻在頂層放置元器(qì)件，所以采用方案1較為(wèi)妥當。 
    但(dàn)是當在頂層和(hé)底層都需要放置元器(qì)件，而且內(nèi)部電(diàn)源層和(hé)地層之間(jiān)的介質厚度較大(dà)，耦合不佳時(shí)，就需要考慮哪一層布置的信号線較少(shǎo)。對于方案1而言，底層的信号線較少(shǎo)，可(kě)以采用大(dà)面積的銅膜來(lái)與POWER層耦合；反之，如果元器(qì)件主要布置在底層，則應該選用方案2來(lái)制(zhì)闆。 
    如果采用層疊結構，那(nà)麽電(diàn)源層和(hé)地線層本身就已經耦合，考慮對稱性的要求，一般采用方案1。 

    6層闆 
    在完成4層闆的層疊結構分析後，下面通(tōng)過一個(gè)6層闆組合方式的例子來(lái)說明(míng)6層闆層疊結構的排列組合方式和(hé)優選方法。 
    （1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），Siganl_3（Inner_3），POWER（Inner_4），Siganl_4（Bottom）。 
    方案1采用了4層信号層和(hé)2層內(nèi)部電(diàn)源/接地層，具有(yǒu)較多(duō)的信号層，有(yǒu)利于元器(qì)件之間(jiān)的布線工作(zuò)，但(dàn)是該方案的缺陷也較為(wèi)明(míng)顯，表現為(wèi)以下兩方面： 
    ① 電(diàn)源層和(hé)地線層分隔較遠，沒有(yǒu)充分耦合。 
    ② 信号層Siganl_2（Inner_2）和(hé)Siganl_3（Inner_3）直接相鄰，信号隔離性不好，容易發生(shēng)串擾。 
    （2）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），POWER（Inner_2），GND（Inner_3），Siganl_3（Inner_4），Siganl_4（Bottom）。 
    方案2相對于方案1，電(diàn)源層和(hé)地線層有(yǒu)了充分的耦合，比方案1有(yǒu)一定的優勢，但(dàn)是Siganl_1（Top）和(hé)Siganl_2（Inner_1）以及Siganl_3（Inner_4）和(hé)Siganl_4（Bottom）信号層直接相鄰，信号隔離不好，容易發生(shēng)串擾的問題并沒有(yǒu)得(de)到解決。 
   （3）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），POWER（Inner_3），GND（Inner_4），Siganl_3（Bottom）。 
    相對于方案1和(hé)方案2，方案3減少(shǎo)了一個(gè)信号層，多(duō)了一個(gè)內(nèi)電(diàn)層，雖然可(kě)供布線的層面減少(shǎo)了，但(dàn)是該方案解決了方案1和(hé)方案2共有(yǒu)的缺陷。 
    ① 電(diàn)源層和(hé)地線層緊密耦合。 
    ② 每個(gè)信号層都與內(nèi)電(diàn)層直接相鄰，與其他信号層均有(yǒu)有(yǒu)效的隔離，不易發生(shēng)串擾。 
    ③ Siganl_2（Inner_2）和(hé)兩個(gè)內(nèi)電(diàn)層GND（Inner_1）和(hé)POWER（Inner_3）相鄰，可(kě)以用來(lái)傳輸高(gāo)速信号。兩個(gè)內(nèi)電(diàn)層可(kě)以有(yǒu)效地屏蔽外界對Siganl_2（Inner_2）層的幹擾和(hé)Siganl_2（Inner_2）對外界的幹擾。 
    綜合各個(gè)方面，方案3顯然是最優化的一種，同時(shí)，方案3也是6層闆常用的層疊結構。通(tōng)過對以上(shàng)兩個(gè)例子的分析，相信讀者已經對層疊結構有(yǒu)了一定的認識，但(dàn)是在有(yǒu)些(xiē)時(shí)候，某一個(gè)方案并不能滿足所有(yǒu)的要求，這就需要考慮各項設計(jì)原則的優先級問題。遺憾的是由于電(diàn)路闆的闆層設計(jì)和(hé)實際電(diàn)路的特點密切相關，不同電(diàn)路的抗幹擾性能和(hé)設計(jì)側重點各有(yǒu)所不同，所以事實上(shàng)這些(xiē)原則并沒有(yǒu)确定的優先級可(kě)供參考。但(dàn)可(kě)以确定的是，設計(jì)原則2（內(nèi)部電(diàn)源層和(hé)地層之間(jiān)應該緊密耦合）在設計(jì)時(shí)需要首先得(de)到滿足，另外如果電(diàn)路中需要傳輸高(gāo)速信号，那(nà)麽設計(jì)原則3（電(diàn)路中的高(gāo)速信号傳輸層應該是信号中間(jiān)層，并且夾在兩個(gè)內(nèi)電(diàn)層之間(jiān)）就必須得(de)到滿足。 

    10層闆 
    PCB典型10層闆設計(jì)一般通(tōng)用的布線順序是TOP---GND---信号層---電(diàn)源層---GND---信号層---電(diàn)源層---信号層---GND---BOTTOM 
    本身這個(gè)布線順序并不一定是固定的，但(dàn)是有(yǒu)一些(xiē)标準和(hé)原則來(lái)約束：如top層和(hé)bottom的相鄰層用GND，确保單闆的EMC特性；如每個(gè)信号層優選使用GND層做(zuò)參考平面；整個(gè)單闆都用到的電(diàn)源優先鋪整塊銅皮；易受幹擾的、高(gāo)速的、沿跳(tiào)變的優選走內(nèi)層等等。