PCB疊層設(shè)計層的排布原則和常用層疊結(jié)構(gòu)

　　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、電路板的尺寸和電磁兼容（EMC）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)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，也是抑制電磁干擾的一個重要手段。本文介紹多層PCB板層疊結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。

　　對于電源、地的層數(shù)以及信號層數(shù)確定后，它們之間的相對排布位置是每一個PCB工程師都不能回避的話題；

　　層的排布一般原則：

　　1、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)對稱與否是PCB板制造時需要關(guān)注的焦點，所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求，以達(dá)到最佳的平衡。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)合其他EDA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、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。

　　2、元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面；敏感信號層應(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。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。

　　3、所有信號層盡可能與地平面相鄰；

　　4、盡量避免兩信號層直接相鄰；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、主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰；

　　6、兼顧層壓結(jié)構(gòu)對稱。

　　7、對于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長距離布線，對于板級工作頻率在50MHZ以上的（50MHZ以下的情況可參照，適當(dāng)放寬），建議排布原則：

　　元件面、焊接面為完整的地平面（屏蔽）；

　　無相鄰平行布線層；

　　所有信號層盡可能與地平面相鄰；

　　關(guān)鍵信號與地層相鄰，不跨分割區(qū)。

　　注：具體PCB的層的設(shè)置時，要對以上原則進(jìn)行靈活掌握，在領(lǐng)會以上原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際單板的需求，如：是否需要一關(guān)鍵布線層、電源、地平面的分割情況等，確定層的排布，切忌生搬硬套，或摳住一點不放。

　　8、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。

　　常用的層疊結(jié)構(gòu)：

　　4層板

　　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）。

　?。?）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)。選擇的原因并非方案 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。

　　如果采用層疊結(jié)構(gòu)，那么電源層和地線層本身就已經(jīng)耦合，考慮對稱性的要求，一般采用方案 1。

　　6層板

　　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（Inner_4），Siganl_4（Bottom）。

　　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：

　?、?電源層和地線層分隔較遠(yuǎn)，沒有充分耦合。

　?、?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（Inner_4），Siganl_4（Bottom）。

　　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。

　　（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。

　?、?電源層和地線層緊密耦合。

　?、?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)_。

　?、?Siganl_2（Inner_2）和兩個內(nèi)電層 GND（Inner_1）和 POWER（Inner_3）相鄰，可以用來傳輸高速信號。兩個內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對 Siganl_2（Inner_2）層的干擾和Siganl_2（Inner_2）對外界的干擾。

　　綜合各個方面，方案 3 顯然是最優(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。

　　10層板

　　PCB典型10層板設(shè)計

　　一般通用的布線順序是TOP--GND---信號層---電源層---GND---信號層---電源層---信號層---GND---BOTTOM

　　本身這個布線順序并不一定是固定的，但是有一些標(biāo)準(zhǔn)和原則來約束：如top層和bottom的相鄰層用GND，確保單板的EMC特性；如每個信號層優(yōu)選使用GND層做參考平面；整個單板都用到的電源優(yōu)先鋪整塊銅皮；易受干擾的、高速的、沿跳變的優(yōu)選走內(nèi)層等等。