菲律宾玛雅娱乐官网: 设计多层PCB电路板的注意事项

2018-07-19 17:33:05 来源:ittbank
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在设计多层PCB电路板之前,设计者需要首先根据电路的规模、电路板的尺寸和电磁兼容(EMC)的要求来确定所采用的电路板结构,也就是决定采用4层,6层,还是更多层数的电路板。确定层数之后,再确定内电层的放置位置以及如何在这些层上分布不同的信号。这就是多层PCB层叠结构的选择问题。层叠结构是影响PCB板EMC性能的一个重要因素,也是抑制电磁干扰的一个重要手段。本节将介绍多层PCB板层叠结构的相关内容。

 

11.1.1 层数的选择和叠加原则

确定多层PCB板的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说,层数越多越利于布线,但是制板成本和难度也会随之增加。对于生产厂家来说,层叠结构对称与否是PCB板制造时需要关注的焦点,所以层数的选择需要考虑各方面的需求,以达到最佳的平衡。

 

对于有经验的设计人员来说,在完成元器件的预布局后,会对PCB的布线瓶颈处进行重点分析。结合其他EDA工具分析电路板的布线密度;再综合有特殊布线要求的信号线如差分线、敏感信号线等的数量和种类来确定信号层的层数;然后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的数目。这样,整个电路板的板层数目就基本确定了。

 

确定了电路板的层数后,接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。在这一步骤中,需要考虑的因素主要有以下两点。

 

(1)特殊信号层的分布。

(2)电源层和地层的分布。

 

如果电路板的层数越多,特殊信号层、地层和电源层的排列组合的种类也就越多,如何来确定哪种组合方式最优也越困难,但总的原则有以下几条。

 

(1)信号层应该与一个内电层相邻(内部电源/地层),利用内电层的大铜膜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,以提高电源层和地层之间的电容,增大谐振频率。内部电源层和地层之间的介质厚度可以在Protel的Layer Stack Manager(层堆栈管理器)中进行设置。选择【Design】/【Layer Stack Manager…】命令,系统弹出层堆栈管理器对话框,用鼠标双击Prepreg文本,弹出如图11-1所示对话框,可在该对话框的Thickness选项中改变绝缘层的厚度。

 

 

如果电源和地线之间的电位差不大的话,可以采用较小的绝缘层厚度,例如5mil(0.127mm)。

 

(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。

 

11.1.2 常用的层叠结构

下面通过4层板的例子来说明如何优选各种层叠结构的排列组合方式。

 

对于常用的4层板来说,有以下几种层叠方式(从顶层到底层)。
(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)。

 

显然,方案3电源层和地层缺乏有效的耦合,不应该被采用。

 

那么方案1和方案2应该如何进行选择呢?一般情况下,设计人员都会选择方案1作为4层板的结构。选择的原因并非方案2不可被采用,而是一般的PCB板都只在顶层放置元器件,所以采用方案1较为妥当。但是当在顶层和底层都需要放置元器件,而且内部电源层和地层之间的介质厚度较大,耦合不佳时,就需要考虑哪一层布置的信号线较少。对于方案1而言,底层的信号线较少,可以采用大面积的铜膜来与POWER层耦合;反之,如果元器件主要布置在底层,则应该选用方案2来制板。

 

如果采用如图11-1所示的层叠结构,那么电源层和地线层本身就已经耦合,考虑对称性的要求,一般采用方案1。

 

在完成4层板的层叠结构分析后,下面通过一个6层板组合方式的例子来说明6层板层叠结构的排列组合方式和优选方法。

 

(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层信号层和2层内部电源/接地层,具有较多的信号层,有利于元器件之间的布线工作,但是该方案的缺陷也较为明显,表现为以下两方面。

 

① 电源层和地线层分隔较远,没有充分耦合。
② 信号层Siganl_2(Inner_2)和Siganl_3(Inner_3)直接相邻,信号隔离性不好,容易发生串扰。


(2)Siganl_1(Top),Siganl_2(Inner_1),POWER(Inner_2),GND(Inner_3),Siganl_3(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。

 

方案2相对于方案1,电源层和地线层有了充分的耦合,比方案1有一定的优势,但是Siganl_1(Top)和Siganl_2(Inner_1)以及Siganl_3(Inner_4)和Siganl_4(Bottom)信号层直接相邻,信号隔离不好,容易发生串扰的问题并没有得到解决。

 

(3)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),POWER(Inner_3),GND(Inner_4),Siganl_3(Bottom)。


相对于方案1和方案2,方案3减少了一个信号层,多了一个内电层,虽然可供布线的层面减少了,但是该方案解决了方案1和方案2共有的缺陷。

 

① 电源层和地线层紧密耦合。
② 每个信号层都与内电层直接相邻,与其他信号层均有有效的隔离,不易发生串扰。
③ Siganl_2(Inner_2)和两个内电层GND(Inner_1)和POWER(Inner_3)相邻,可以用来传输高速信号。两个内电层可以有效地屏蔽外界对Siganl_2(Inner_2)层的干扰和Siganl_2(Inner_2)对外界的干扰。

 

综合各个方面,方案3显然是最优化的一种,同时,方案3也是6层板常用的层叠结构。
通过对以上两个例子的分析,相信读者已经对层叠结构有了一定的认识,但是在有些时候,某一个方案并不能满足所有的要求,这就需要考虑各项设计原则的优先级问题。遗憾的是由于电路板的板层设计和实际电路的特点密切相关,不同电路的抗干扰性能和设计侧重点各有所不同,所以事实上这些原则并没有确定的优先级可供参考。但可以确定的是,设计原则2(内部电源层和地层之间应该紧密耦合)在设计时需要首先得到满足,另外如果电路中需要传输高速信号,那么设计原则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)就必须得到满足。表11-1给出了多层板层叠结构的参考方案,供读者参考。

 

 

11.2.1 元器件布局的一般原则

设计人员在电路板布局过程中需要遵循的一般原则如下。

 

(1)元器件最好单面放置。如果需要双面放置元器件,在底层(Bottom Layer)放置插针式元器件,就有可能造成电路板不易安放,也不利于焊接,所以在底层(Bottom Layer)最好只放置贴片元器件,类似常见的计算机显卡PCB板上的元器件布置方法。单面放置时只需在电路板的一个面上做丝印层,便于降低成本。

 

(2)合理安排接口元器件的位置和方向。一般来说,作为电路板和外界(电源、信号线)连接的连接器元器件,通常布置在电路板的边缘,如串口和并口。如果放置在电路板的中央,显然不利于接线,也有可能因为其他元器件的阻碍而无法连接。另外在放置接口时要注意接口的方向,使得连接线可以顺利地引出,远离电路板。接口放置完毕后,应当利用接口元器件的String(字符串)清晰地标明接口的种类;对于电源类接口,应当标明电压等级,防止因接线错误导致电路板烧毁。

 

(3)高压元器件和低压元器件之间最好要有较宽的电气隔离带。也就是说不要将电压等级相差很大的元器件摆放在一起,这样既有利于电气绝缘,对信号的隔离和抗干扰也有很大好处。

 

(4)电气连接关系密切的元器件最好放置在一起。这就是??榛牟季炙枷?。

 

(5)对于易产生噪声的元器件,例如时钟发生器和晶振等高频器件,在放置的时候应当尽量把它们放置在靠近CPU的时钟输入端。大电流电路和开关电路也容易产生噪声,在布局的时候这些元器件或??橐灿Ω迷独肼呒刂频缏泛痛娲⒌缏返雀咚傩藕诺缏?,如果可能的话,尽量采用控制板结合功率板的方式,利用接口来连接,以提高电路板整体的抗干扰能力和工作可靠性。

 

(6)在电源和芯片周围尽量放置去耦电容和滤波电容。去耦电容和滤波电容的布置是改善电路板电源质量,提高抗干扰能力的一项重要措施。在实际应用中,印制电路板的走线、引脚连线和接线都有可能带来较大的寄生电感,导致电源波形和信号波形中出现高频纹波和毛刺,而在电源和地之间放置一个0.1?F的去耦电容可以有效地滤除这些高频纹波和毛刺。如果电路板上使用的是贴片电容,应该将贴片电容紧靠元器件的电源引脚。对于电源转换芯片,或者电源输入端,最好是布置一个10?F或者更大的电容,以进一步改善电源质量。

 

(7)元器件的编号应该紧靠元器件的边框布置,大小统一,方向整齐,不与元器件、过孔和焊盘重叠。元器件或接插件的第1引脚表示方向;正负极的标志应该在PCB上明显标出,不允许被覆盖;电源变换元器件(如DC/DC变换器,线性变换电源和开关电源)旁应该有足够的散热空间和安装空间,外围留有足够的焊接空间等。

 

11.2.2 元器件布线的一般原则

设计人员在电路板布线过程中需要遵循的一般原则如下。

 

(1)元器件印制走线的间距的设置原则。不同网络之间的间距约束是由电气绝缘、制作工艺和元件大小等因素决定的。例如一个芯片元件的引脚间距是8mil,则该芯片的【Clearance Constraint】就不能设置为10mil,设计人员需要给该芯片单独设置一个6mil的设计规则。同时,间距的设置还要考虑到生产厂家的生产能力。

 

另外,影响元器件的一个重要因素是电气绝缘,如果两个元器件或网络的电位差较大,就需要考虑电气绝缘问题。一般环境中的间隙安全电压为200V/mm,也就是5.08V/mil。所以当同一块电路板上既有高压电路又有低压电路时,就需要特别注意足够的安全间距。

 

(2)线路拐角走线形式的选择。为了让电路板便于制造和美观,在设计时需要设置线路的拐角模式,可以选择45°、90°和圆弧。一般不采用尖锐的拐角,最好采用圆弧过渡或45°过渡,避免采用90°或者更加尖锐的拐角过渡。

 

导线和焊盘之间的连接处也要尽量圆滑,避免出现小的尖脚,可以采用补泪滴的方法来解决。当焊盘之间的中心距离小于一个焊盘的外径D时,导线的宽度可以和焊盘的直径相同;如果焊盘之间的中心距大于D,则导线的宽度就不宜大于焊盘的直径。

 

导线通过两个焊盘之间而不与其连通的时候,应该与它们保持最大且相等的间距,同样导线和导线之间的间距也应该均匀相等并保持最大。

 
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