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PCB设计时的叠层选择

2025/05/04
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下图展示的是一块四层板,但相关内容也可应用于层数更多的电路板印刷电路板的核心是一块刚性的玻璃纤维板,其顶部和底部都覆有铜箔。核心部分基本上就是一块两层板。为了增加层数,会使用一种带有胶水的薄玻璃纤维片,即半固化片(prepreg),来粘贴顶部和底部的铜箔。这个示例印刷电路板显示了非常常见的厚度。例如,62mil厚的电路板被认为是标准的板厚,7mil厚的半固化片也很常见。通常,核心部分相当厚,而半固化片很薄。因此,顶层非常靠近核心部分的顶部,底层则靠近核心部分的底部。

为了获得良好的电磁干扰(EMI)性能,信号层应尽可能靠近与其相关的接地回路层。如果将顶层用作信号层,而将相邻的内层用作接地回路层,这是个不错的选择,因为半固化片通常很薄。为了实现良好的电源去耦,将电源层和接地层保持靠近也很有帮助。如果使用核心部分作为电源层和接地层,可能很难保持紧密的间距,因为核心部分的材料通常比较厚。

在这里,我们比较不同的层叠结构,看看哪种是最好的。最差的层叠结构是使用相邻的两层,且每层都有信号走线。在这种情况下,两个信号会相互干扰,而且接地参考通常离信号较远,这会使得回流电流扩散开来。

四层板上常用的一种方法是将电源层和接地层用作内层,而将信号层设置在外层。底部的电源轨将作为底部信号的回流路径。这种方法可能存在的一个问题是,电源层可能会被分割成多个电源轨。在这种情况下,回流路径中会出现不连续或缝隙,就需要使用缝合电容来弥合这些间隙。此外,当信号从顶层过渡到底层时,回流路径需要从接地层过渡到电源层,这也可能会导致射频辐射。

对于四层板来说,实现良好电磁干扰(EMI)性能的最佳方法是使用两个内层作为接地层。在这种情况下,信号会分布在顶层,电源和信号会在底层。这种方法的优点是能使电源轨非常靠近接地回流路径,这将改善去耦效果。该方法还消除了对缝合电容的需求,因为接地回流是连续完整的,而在前一个例子中,电源层被分割以适应多个电源轨。另外,当顶层和底层的信号在不同层之间过渡时,两个接地层通过缝合过孔连接在一起,所以辐射是最小的。

六层及更高层数的印刷电路板也遵循相同的原则。简而言之,你永远不希望信号层没有相邻的接地回流路径。此外,让电源层靠近接地层将改善去耦效果。

下面例子展示了将电源层与信号层相邻设置是如何引发问题的。这种方法并非不可行,但你必须小心,要避免在电源层的分割区域上方布设信号走线。在这个例子中,电源被分割成了一个3.3V的数字电源平面和一个5V的模拟电源平面。左边的设计会产生射频辐射,因为数字信号的走线跨越了回流路径中的分割区域。右边的布局经过了调整,从而在数字输入输出(I/O)线路下方保持了一个连续的数字电源平面。对于这个设计而言,回流电流将流过3.3V的数字电源平面,而不是接地平面。

下图展示了在四层印刷电路板中如何使用两个内层作为接地层。在这种情况下,大多数信号将布设在顶层,而电源层则在底层。底层也可以布设一些信号走线,但底层的大部分区域是专门用于电源的。这种层叠结构的优点在于使电源层靠近其接地回流路径,由于电源和地之间的交流阻抗较低,这将改善去耦效果。此外,信号在顶层和底层之间过渡时,不需要使用缝合电容。

上图中的示例可以进行修改,使得电源以较粗的走线而非平面的形式来布设。如果电源轨上的瞬态电流不是很大,将电源以走线形式布设是一种合理的方法。相较于采用电源平面的方式,这种方法的优点在于底层有更多空间可用于布设信号走线。

下图是一个两层电路板的示例。对于这种类型的电路板,最佳的层叠方式是将电源和信号布置在顶层,并将底层用作完整的接地平面。然而,要在顶层布置所有的信号和电源走线往往是很困难的,所以常常会有一些走线布置在底层。那么,这种层叠方式会存在哪些常见问题呢?

两层电路板存在一个显著的问题,原因是有些走线需要布设在底层。底层的走线会导致接地路径出现不连续的情况。当顶层的信号经过这个不连续处时,接地回流电流就不得不绕开这个分隔区域进行走线,从而产生射频辐射。

另一个问题的出现是因为顶层和底层在物理上相隔一段相当大的距离。两层电路板的典型厚度是62mil。这个厚度比四层电路板中顶层与核心层之间的距离要大得多。增加层与层之间的间距会导致走线下方的场分布扩散开来。

记住电磁干扰(EMI)的原理。它会沿着波导的顶部和底部传播。场分布的扩散会增加数字走线与敏感的模拟走线之间的串扰。当然,如果把两层电路板做得很薄,这个问题就能最小化,但从机械强度的角度来看,这可能不太现实。

Tips:一些关于PCB叠层选择的常见问题及回答

1、以下层叠结构存在哪些潜在问题?

a)为了实现良好的屏蔽,接地层应始终位于底层。

b)电源层绝不应该有分割。

c)电源层和接地层相隔距离较远。这会降低高速去耦性能。

d)电源层被分割了,所以底层跨越分割区域的信号可能会存在射频辐射问题。

e)答案a和b是存在的问题。

f)答案c和d是存在的问题。

答:正确答案是“f”,即答案c和d是存在的问题。让接地层和电源层保持靠近可以降低层间的高频阻抗。这种低阻抗能够消除电源噪声。在这种情况下,电源层和接地层相隔较远,所以高速去耦性能将会下降。

此外,电源层是分割开的。如果信号走线跨越了这个分割区域,这种分割就可能会引发问题。

2、以下这种层叠结构存在哪些潜在问题呢?

a)两个相邻的信号没有相邻的接地回流路径,所以它们有可能会相互干扰。

b)接地层和电源层距离太近了,应该把它们分得更远一些,以防止电源噪声耦合到接地层中。

c)以上都不是问题,这是一种不错的层叠结构。

答:正确答案是“a”,即两个相邻的信号没有相邻的接地回流路径,所以它们有可能会相互干扰。在这种情况下,最上面两层的信号会以接地平面作为参考,所有的回流电流会相互混合,从而产生串扰。在最下面两层,信号是以电源平面作为参考的,同样,回流电流也会相互混合。此外,底层存在分割情况,如果信号跨越了这个分割区域,这也可能会引发问题。

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