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更新時間:2019-08-12 11:10:01瀏覽次數(shù):263
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湖南亞貝納自動化設(shè)備有限公司
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在設(shè)計多層PCB電路板之前,設(shè)計者需要首先根據(jù)電路的規(guī)模 電路板的尺寸 電磁兼容(EMC) 電路的規(guī)模、電路板的尺寸電磁兼容( 電路的規(guī)模 電路板的尺寸和電磁兼容 ) 的要求來確定所采用的電路板結(jié)構(gòu),也就是決定采用 4 層,6 層,還是更多層數(shù)的電路板。確定層數(shù)的要求之后,再確定內(nèi)電層的放置位置以及如何在這些層上分布不同的信號。這就是多層 PCB 層疊結(jié)構(gòu)的 選擇問題。層疊結(jié)構(gòu)是影響 PCB 板 EMC 性能的一個重要因素 層疊結(jié)構(gòu)是影響 性能的一個重要因素,也是抑制電磁干擾的一個重要手段。本節(jié)將介紹多層 PCB 板層疊結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。
1.層數(shù)的選擇和疊加原則
確定多層 PCB 板的層疊結(jié)構(gòu)需要考慮較多的因素。從布線方面來說,層數(shù)越多越利于布線 但是制層數(shù)越多越利于布線,但是制層數(shù)越多越利于布線 板成本和難度也會隨之增加。對于生產(chǎn)廠家來說,層疊結(jié)構(gòu)對稱與否 PCB 板制造時需要關(guān)注的焦 層疊結(jié)構(gòu)對稱與否是 板成本和難度也會隨之增加 層疊結(jié)構(gòu)對稱與否 點,所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求,以達(dá)到佳的平衡。
對于有經(jīng)驗的設(shè)計人員來說,在完成元器件的預(yù)布局后,會對 PCB 的布線瓶頸處進(jìn)行重點分析 結(jié) 完成元器件的預(yù)布局后的布線瓶頸處進(jìn)行重點分析 頸處進(jìn)行重點分析。結(jié) 完成元器件的預(yù)布局后工具分析電路板的布線密度;再綜合有特殊布線要求的信號線如差分線、敏感信號線 有特殊布線要求的信號線如差分線 合其他 EDA 工具分析電路板的布線密度有特殊布線要求的信號線如差分線、敏感信號線等 的數(shù)量和種類來確定信號層的層數(shù) 然后根據(jù)電源的種類、來確定信號層的層數(shù); 根據(jù)電源的種類、 隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目。來確定信號層的層數(shù) 根據(jù)電源的種類 隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目 這樣,整個電路板的板層數(shù)目就基本確定了。
確定了電路板的層數(shù)后,接下來的工作便是合理地排列各層電路的放置順序。在這一步驟中,需要考慮的因素主要有以下兩點:
(1)特殊信號層的分布
(2)電源層和地層的分布
如果電路板的層數(shù)越多,特殊信號層、地層和電源層的排列組合的種類也就越多,如何來確定哪種組合方式優(yōu)也越困難,但總的原則有以下幾條:
地層,利用內(nèi)電層的大銅膜來為信號層提供屏蔽:
(1)信號層應(yīng)該與一個內(nèi)電層相鄰(內(nèi)部電源 地層),利用內(nèi)電層的大銅膜來為信號層提供屏蔽。
(2)內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合,也就是說,內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度應(yīng)該取較)內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合,也就是說, 小的值,以提高電源層和地層之間的電容,增大諧振頻率。小的值,以提高電源層和地層之間的電容,增大諧振頻率。
(3)電路中的高速信號傳輸層應(yīng)該是信號中間層,并且夾在兩個內(nèi)電層之間。這樣兩個內(nèi)電層的銅膜可以為高速信號傳輸提供電磁屏蔽,同時也能有效地將高速信號的輻射限制在兩個內(nèi)電層之間,不對外造成干擾。
(4)避免兩個信號層直接相鄰。相鄰的信號層之間容易引入串?dāng)_,從而導(dǎo)致電路功能失效;在兩信號層之間加入地平面可以有效地避免串?dāng)_。
(5)多個接地的內(nèi)電層可以有效地降低接地阻抗;例如,A 信號層和 B 信號層采用各自單獨的地平 面,可以有效地降低共模干擾。
(6)兼顧層結(jié)構(gòu)的對稱性。
2.常用的層疊結(jié)構(gòu)西門子軟啟動器3RW4436-6BC44
下面通過 4 層板的例子來說明如何優(yōu)選各種層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式:
對于常用的 4 層板來說,有以下幾種層疊方式(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 電源層和地層缺乏有效的耦合,不應(yīng)該被采用。
那么方案 1 和方案 2 應(yīng)該如何進(jìn)行選擇呢?
一般情況下,設(shè)計人員都會選擇方案 1 作為 4 層板的結(jié)構(gòu)。原因并非方案 2 不可被采用,而是一般的 PCB 板都只在頂層放置元器件,所以采用方案 1 較為 妥當(dāng)。但是當(dāng)在頂層和底層都需要放置元器件,而且內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度較大,耦合不佳時,就需要考慮哪一層布置的信號線較少。對于方案 1 而言,底層的信號線較少,可以采用大面積 的銅膜來與 POWER 層耦合;反之,如果元器件主要布置在底層,則應(yīng)該選用方案 2 來制板。
在完成 4 層板的層疊結(jié)構(gòu)分析后, 下面通過一個 6 層板組合方式的例子來說明 6 層板層疊結(jié)構(gòu)的排列 組合方式和優(yōu)選方法:
(1)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),Siganl_3(Inner_3),POWER (In)。 方案 1 采用了 4 層信號層和 2 層內(nèi)部電源/接地層,具有較多的信號層,有利于元器件之間的布線工作,但是該方案的缺陷也較為明顯,表現(xiàn)為以下兩方面:
① 電源層和地線層分隔較遠(yuǎn),沒有充分耦合
② 信號層 Siganl_2(Inner_2)和 Siganl_3(Inner_3)直接相鄰,信號隔離性不好,容易發(fā)生串?dāng)_
(2)Siganl_1(Top),Siganl_2(Inner_1),POWER(Inner_2),GND(Inner_3),Siganl_3 (In)。
方案 2 相對于方案 1, 電源層和地線層有了充分的耦合, 比方案 1 有一定的優(yōu)勢, 但是 Siganl_1 (Top) 和 Siganl_2(Inner_1)以及 Siganl_3(Inner_4)和 Siganl_4(Bottom)信號層直接相鄰,信號隔 離不好,容易發(fā)生串?dāng)_的問題并沒有得到解決。
),GND(Inner_1), ),Siganl_2(Inner_2), ),POWER(Inner_3),),GND (3)Siganl_1(Top), ) ( ), ( ), ( ), ( ), (Inner_)。)。
相對于方案 1 和方案 2,方案 3 減少了一個信號層,多了一個內(nèi)電層,雖然可供布線的層面減少了,但是該方案解決了方案 1 和方案 2 共有的缺陷:
② 每個信號層都與內(nèi)電層直接相鄰,與其他信號層均有有效的隔離,不易發(fā)生串?dāng)_
③ Siganl_2(Inner_2)和兩個內(nèi)電層 GND(Inner_1)和 POWER(Inner_3)相鄰,可以用來傳 ( ) ( ) ( )相鄰,兩個內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對 Siganl_2 Inner_2) 輸高速信號。 高速信號。 兩個內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對( ) 層的干擾和 Siganl_2 Inner_2) ( ) 對外界的干擾。
綜合各個方面,方案 3 顯然是優(yōu)化的一種,同時,方案 3 也是 6 層板常用的層疊結(jié)構(gòu)。
通過對以上兩個例子的分析,相信讀者已經(jīng)對層疊結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識,但是在有些時候,某一個方案并不能滿足所有的要求,這就需要考慮各項設(shè)計原則的優(yōu)先級問題。遺憾的是由于電路板的板層設(shè) 計和實際電路的特點密切相關(guān),不同電路的抗干擾性能和設(shè)計側(cè)重點各有所不同,所以事實上這些原則并沒有確定的優(yōu)先級可供參考。但可以確定的是,設(shè)計原則 2(內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦 設(shè)計原則 (內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦如果電路中需要傳輸高速信號, 合)在設(shè)計時需要首先得到滿足,另外如果電路中需要傳輸高速信號,那么設(shè)計原則 3(電路中的高在設(shè)計時需要首先得到滿足, 如果電路中需要傳輸高速信號 ( 速信號傳輸層應(yīng)該是信號中間層,并且夾在兩個內(nèi)電層之間)就必須得到滿足速信號傳輸層應(yīng)該是信號中間層,并且夾在兩個內(nèi)電層之間)就必須得到滿足。