电路板的叠层设计是对PCB的整个系统设计的基础,叠层设计若有缺陷,将最终影响到整机的EMC性能。叠层设计是一个复杂的,严谨过程,当然,设计开发,没必要从零开始经过一系列的复杂计算和仿真,来确定设计方案是否合适,仅需要总结前人的经验,选择合适系统的叠层方案。
层叠选择因素考虑
电路板的层数越多,特殊信号层、地层和电源层的排列组合的种类也就越多。
(1)信号层应该与一个内电层相邻(内部电源/地层),利用内电层的大铜箔来为信号层提供屏蔽。
(2)内部电源层和地层之间应该紧密耦合,也就是说,内部电源层和地层之间的介质厚度应该取较小的值。
(3)电路中的高速信号传输层应该是信号中间层,并且夹在两个内电层之间。这样两个内电层的铜膜可以为高速信号传输提供电磁屏蔽,同时也能有效地将高速信号的辐射限制在两个内电层之间,不对外造成干扰。
(4)避免两个信号层直接相邻。相邻的信号层之间容易引入串扰,从而导致电路功能失效。在两信号层之间加入地平面可以有效地避免串扰。
(5)多个接地的内电层可以有效地降低接地阻抗。例如,A信号层和B信号层采用各自单独的地平面,可以有效地降低共模干扰。
(6)兼顾层结构的对称性。
4层板优选叠层方案
4层板设计,潜在的问题是对于传统的**1.6mm(62mil)**板厚。层间距将会变得很大,不仅不利于控制阻抗,层间耦合及屏蔽;特别是电源地层之间间距很大,降低了板电容,不利于滤除噪声。
4层板优选叠层方案主要有三类:
方案一:通常应用于TOP层芯片较多的情况。TOP层下面有完整的地平面为最优布线层,关键信号应该优先布置在该层。这种方案可得到较好的SI性能,对于EMI性能来说并不是很好,主要要通过走线及其他细节来控制。主要注意:地层放在信号最密集的信号层的相连层,有利于吸收和抑制辐射
方案二:同方案一
方案三:适用于元器件以插件为主的PCB,常常考虑电源在布线层S2中实现,BOTTOM层为地平面,进而构成屏蔽腔体。
如下图所示:
优选建议:方案一,备用方案二、三。
6层板优选叠层方案
对于芯片密度较大、时钟频率较高的设计应考虑6层板以上的设计
6层板优选叠层方案主要有三类:
方案一:在一些对电源阻抗要求低和控制低成本,走线比较多的情况可以备用,因为GND和电源层间隔比较远,EMI和电源噪声会比较差。第3层是最优布线层,第3层和第4层走线尽量交叉走线,减少临层干扰。
方案二:电源层和GND层相邻,电源回流路径小,具有较好的电磁吸收能力,也就是较好的EMI特性,同时也给各层信号设计阻抗带来的便利,也就是说信号层的阻抗具有很好的可控性。
方案三:是最佳方案,这种叠层方案可得到较好的信号完整性,信号层与接地层相邻,电源层和接地层配对,每个走线层的阻抗都可较好控制,且两个地层都是能良好的吸收磁力线。并且在电源、地层完整的情况下能为每个信号层都提供较好的回流路径。但是同时信号层的减少,面对高密度线路的时候,考验了layout人员规划布线的能力了。第4、5层之间的厚度要尽可能小,第3层是最佳布线层,高速信号和高风险信号优先布置在该层.
方案四:和方案三类似,第4层的PWR和第五层的GND和方案三对调了一下,如果BOTTOM层的器件比较多,bottom层的信号参考pwr层会增加串扰和电源噪声的风险。没有像方案三中的BOTTOM层和pwr层都参考了GND层,会有很好的信号和电源完整,电源回流路径比较小,减少了电源噪声的风险问题
优选建议:优选方案三,备用方案一、二。
8层板优选叠层方案
8层板优选叠层方案主要有三类:
方案一:在一些对电源阻抗要求低的情况可以备用,因为其地平面较少所以其电磁吸收能力也是比较差的,需要注意。
方案二:是从方案三叠层方式演变而来的,相比较于方案一由于增加的参考地平面,具有较好的电磁吸收能力,也就是较好的EMI特性,同时也给各层信号设计阻抗带来的便利,也就是说信号层的阻抗具有很好的可控性。此方案适用于电源种类多,采用一个电源平面无法满足PCB供电需求的情况
方案三:是最佳方案,由于设计了多层参考地平面,使得叠层具有非常好的电磁吸收能力,其各方面性能也是优于方案二,但是同时信号层的减少,面对高密度线路的时候,考验了layout人员规划布线的能力了。
方案四:TOP、GND02、S03、S04、PWR05、S06、GND07、BOTTOM(此叠层结构电源平面和地平面的去耦效果很差,一般应用在布线层数要求较多且成本控制严格的设计中,如消费类平板;第2层和第6层是较好布线层,一般在平板类设计时,DDR及其他高速类的信号根据信号性质分类后布置在TOP层、第3层、第6层、第8层;叠层设计时应加大第3、4层的距离并交叉走线
优选建议:优选方案三,备用方案一、二。
10层板优选叠层方案
10层板优选叠层方案主要有五类:
对于单一电源层的情况,首先考虑方案一。层叠设置时,加大S1~S2、S3~S4的间距控制串扰。
对于需要两个电源层的情况,首先考虑方案二。层叠设置时,加大S1~S2、S3~S4的间距控制串扰。
方案五EMC效果较佳,但与方案四比,牺牲一个布线层;在成本要求不高、EMC指标要求较高且必须双电源层的核心单板,建议采用此种方案;优先布线层S1、S2。
优选建议:优选方案一、方案二。
12层板优选叠层方案
12层板优选叠层方案主要有五类:
方案二和方案四具有良好的EMC性能。
方案一和方案三具有较好的性价比。
优选建议:优选方案二、方案三,可用方案一、方案四,备用方案五。
总结
关键信号层要和地相邻,可以方便阻抗控制,GND要和power相邻以减少电源平面阻抗。
信号层之间尽量避免相邻(不是绝对),相邻层信号不要平行布线,增加信号之间的隔离,以免发生串扰。
对于传输线,必要的时候,阻抗采用方正软件进行微带线模型分析,带状线模型分析。