PCB設(shè)計(jì)信號(hào)平面堆疊的注意事項(xiàng)
PCB設(shè)計(jì)中的每一層在確定電氣行為方面均起特定作用。信號(hào)平面層在組件之間承載電源和電信號(hào)，但是除非您在內(nèi)部層中正確放置銅平面，否則它們可能無法正常工作。除了信號(hào)層之外，您的PCB設(shè)計(jì)還需要電源和接地層，并且您需要將它們放置在PCB疊層中，以確保新板正常工作。
那么放置電源，接地和信號(hào)層的最佳位置在哪里？這是PCB設(shè)計(jì)中長期爭論的問題之一，迫使設(shè)計(jì)人員仔細(xì)考慮其板子的預(yù)期應(yīng)用，組件的功能以及板子的信號(hào)容限。如果您了解阻抗變化，抖動(dòng)，電壓紋波與PDN阻抗以及串?dāng)_抑制的限制，則可以確定要放置在板上的信號(hào)層和平面層的正確排列方式。
將您的設(shè)計(jì)意圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)需要正確的PCB設(shè)計(jì)工具集。無論您是要?jiǎng)?chuàng)建簡單的兩層板還是要?jiǎng)?chuàng)建具有數(shù)十層的高速PCB，PCB設(shè)計(jì)軟件都需要適用于任何應(yīng)用。創(chuàng)建PCB疊層時(shí)，需要考慮以下重要事項(xiàng)。
在定義信號(hào)平面堆棧時(shí)，入門設(shè)計(jì)人員可能會(huì)傾向于極端考慮。他們每個(gè)板只需要兩層，或者每個(gè)小組走線都需要一個(gè)專用層。正確的答案介于兩者之間，這取決于電路板上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，電路中可接受的紋波/抖動(dòng)水平，是否存在混合信號(hào)等等。
通常，如果您的概念證明可以在面包板上正常工作，則可以在兩層板上使用任何喜歡的布局技術(shù)，并且板極有可能正常工作。最多，您可能需要對(duì)高速信號(hào)采取網(wǎng)格接地方法（請(qǐng)參閱下文），以提供最低程度的EMI抑制。對(duì)于以高速或高頻（或兩者兼有）運(yùn)行的更復(fù)雜的設(shè)備，您至少需要四層PCB疊層，包括電源層，接地層和兩個(gè)信號(hào)層。
確定信號(hào)平面層的所需數(shù)量時(shí)，首先要考慮的是信號(hào)網(wǎng)的數(shù)量以及信號(hào)之間的近似寬度和間距。當(dāng)您嘗試估算堆疊中所需的信號(hào)層數(shù)時(shí)，可以采取兩個(gè)基本步驟：
確定凈計(jì)數(shù)：可以使用原理圖中的簡單凈計(jì)數(shù)和擬議的電路板尺寸來估算電路板上所需的信號(hào)層數(shù)。層數(shù)通常與分?jǐn)?shù)（凈值*走線寬度）/（板寬）成正比。換句話說，更多具有更寬走線的網(wǎng)絡(luò)需要使電路板更大，或者需要使用更多信號(hào)層。您必須默認(rèn)使用此處的經(jīng)驗(yàn)來確定在給定的電路板尺寸下容納所有網(wǎng)絡(luò)所需的信號(hào)層的確切數(shù)量。
添加您的平面層：如果需要對(duì)信號(hào)層進(jìn)行受控阻抗布線，則現(xiàn)在需要為每個(gè)受控阻抗信號(hào)層放置參考層。如果組件密集排列，則在組件層下面需要一個(gè)電源平面，因?yàn)樵诒砻鎸由蠜]有足夠的空間容納電源導(dǎo)軌。這可能導(dǎo)致高凈值HDI板所需的表面層數(shù)量達(dá)到兩位數(shù)，但是參考層將提供屏蔽和一致的特性阻抗。
一旦確定了多層板的正確層數(shù)，便可以繼續(xù)在PCB疊層中排列層。
設(shè)計(jì)PCB疊層
PCB疊層設(shè)計(jì)的下一步是安排每一層以提供走線路徑。通常，您的疊層圍繞中心芯層對(duì)稱布置，以防止在高溫裝配和操作過程中翹曲。平面和信號(hào)層的布置對(duì)于受控阻抗布線至關(guān)重要，因?yàn)槟枰獙?duì)不同的走線布置使用特定的方程式，以確保受控阻抗。
對(duì)于剛?cè)岑B層設(shè)計(jì)，您需要在疊層中為剛體和柔韌性區(qū)定義不同的區(qū)域。Allegro中的層堆棧設(shè)計(jì)工具使此過程變得容易。在將原理圖捕獲為空白PCB布局后，可以定義層堆棧以及通過不同層之間的過渡。然后，您可以繼續(xù)確定受控阻抗布線所需的走線尺寸。
帶狀線與微帶線和受控阻抗
為了控制阻抗，應(yīng)使用帶狀線阻抗方程式設(shè)計(jì)在兩個(gè)平面層之間的內(nèi)部層上布線的走線。該方程式定義了帶狀線具有特定特性阻抗值所需的幾何形狀。由于方程式中有三個(gè)不同的幾何參數(shù)確定阻抗，因此最簡單的方法是首先確定所需的層數(shù)，因?yàn)檫@將確定給定板厚度的層厚度。內(nèi)部信號(hào)平面層的銅重量通常為0.5或1 oz./sq.。ft。這將走線寬度作為最后一個(gè)參數(shù)來確定特定的特性阻抗。
相同的過程適用于表面層上的微帶線。確定層厚度和銅重量后，您只需確定用于定義特性阻抗的走線寬度即可。Allegro中的PCB設(shè)計(jì)工具包括一個(gè)阻抗計(jì)算器，可以幫助您確定走線的大小，以便它們定義了特征阻抗。如果需要使用差分對(duì)，則只需將每一層中的走線定義為差分對(duì)，阻抗計(jì)算器將確定走線之間的正確間距。
4層板的特性阻抗計(jì)算器。
檢查PCB布局中的阻抗
在實(shí)際板上布線時(shí)，它們可以電容或電感耦合至其他跡線和導(dǎo)體。附近導(dǎo)體產(chǎn)生的寄生電容和電感會(huì)改變實(shí)際布局中的走線阻抗。為了確保您已達(dá)到堆疊中所有層的阻抗目標(biāo)，您需要一個(gè)阻抗分析工具來跟蹤整個(gè)選定信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中的阻抗。如果在PCB布局中看到不可接受的較大變化，則可以快速選擇走線并調(diào)整布線，以消除互連中的這些阻抗變化。
下面顯示了一個(gè)示例，其中沿跡線的大阻抗變化以紅色標(biāo)記。應(yīng)該調(diào)整該區(qū)域中跡線之間的間隔，以消除此阻抗變化或使其處于可接受的公差范圍內(nèi)。您可以在設(shè)計(jì)規(guī)則中定義所需的阻抗容限，布局后阻抗計(jì)算器工具將根據(jù)所需的阻抗值檢查布線。
模擬部分與數(shù)字部分以及您的層堆疊
在上面的討論中，我們僅研究了數(shù)字信號(hào)，因?yàn)樗鼈儽饶M系統(tǒng)的要求更高。全模擬板或混合信號(hào)板呢？對(duì)于模擬板，電源完整性要容易得多，但信號(hào)完整性則要困難得多。對(duì)于混合信號(hào)板，您需要將上面顯示的數(shù)字方法與此處介紹的模擬方法結(jié)合起來。
數(shù)字信號(hào)的帶寬可以擴(kuò)展到某個(gè)高頻，通常將拐點(diǎn)頻率作為二進(jìn)制信號(hào)的頻率。拐點(diǎn)頻率大約為0.35 /（上升時(shí)間），對(duì)于1 ns上升時(shí)間的信號(hào)，拐點(diǎn)頻率為350 MHz。對(duì)于更快的低至約20 ps的數(shù)字信號(hào)，拐點(diǎn)頻率現(xiàn)在擴(kuò)展到17.5 GHz。對(duì)于模擬信號(hào)，帶寬要窄得多，您只需要擔(dān)心此帶寬內(nèi)的電源層阻抗和插入/回波損耗。這使得電源完整性和信號(hào)完整性更加容易。超出此帶寬的信號(hào)鏈中的任何損耗或高PDN阻抗均可忽略。
高層PCB上IC的電磁仿真模型。
信號(hào)隔離
另一種選擇是更高級(jí)的，需要使用接地的銅粉或通過圍欄來確保電路板不同部分之間的隔離。如果在模擬走線的旁邊進(jìn)行地面澆注，那么您剛剛創(chuàng)建了一個(gè)共面波導(dǎo)，它具有很高的隔離度，是路由高頻模擬信號(hào)的常見選擇。如果要使用圍欄或其他高頻導(dǎo)電隔離結(jié)構(gòu)，則應(yīng)使用電磁場求解器檢查隔離情況，并確定是否應(yīng)選擇在不同信號(hào)層中進(jìn)行隔離。
回程計(jì)劃
在板上混合模擬和數(shù)字信號(hào)對(duì)跟蹤接地回路的位移電流以及數(shù)字和模擬板部分之間的隔離提出了嚴(yán)格的要求。電路板的布置應(yīng)確保模擬返回路徑不會(huì)在數(shù)字組件附近交叉，反之亦然。這可以像將數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)分成由各自的接地層分隔的不同層一樣簡單。盡管這會(huì)增加成本，但可以確保不同部分之間的隔離。
如果模擬組件是從交流電源汲取的，則模擬組件可能還需要專用的模擬電源板。在電力電子設(shè)備之外，這是一種罕見的情況，但是從概念上講，只要您可以分析返回路徑計(jì)劃，它就很容易處理。如果將模擬電源部分放在數(shù)字部分的上游，并且將其分開放置，則可以避免使用單一電源平面來同時(shí)處理兩種信號(hào)。如果正確規(guī)劃返回路徑，則可以防止不同電源部分和接地部分之間的干擾。對(duì)于具有開關(guān)穩(wěn)壓器的直流電源部分，需要將直流部分的開關(guān)噪聲與交流部分分開，就像數(shù)字信號(hào)需要與模擬信號(hào)分開一樣。
豐樂壹博專業(yè)PCB設(shè)計(jì)、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
那么放置電源，接地和信號(hào)層的最佳位置在哪里？這是PCB設(shè)計(jì)中長期爭論的問題之一，迫使設(shè)計(jì)人員仔細(xì)考慮其板子的預(yù)期應(yīng)用，組件的功能以及板子的信號(hào)容限。如果您了解阻抗變化，抖動(dòng)，電壓紋波與PDN阻抗以及串?dāng)_抑制的限制，則可以確定要放置在板上的信號(hào)層和平面層的正確排列方式。
將您的設(shè)計(jì)意圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)需要正確的PCB設(shè)計(jì)工具集。無論您是要?jiǎng)?chuàng)建簡單的兩層板還是要?jiǎng)?chuàng)建具有數(shù)十層的高速PCB，PCB設(shè)計(jì)軟件都需要適用于任何應(yīng)用。創(chuàng)建PCB疊層時(shí)，需要考慮以下重要事項(xiàng)。
在定義信號(hào)平面堆棧時(shí)，入門設(shè)計(jì)人員可能會(huì)傾向于極端考慮。他們每個(gè)板只需要兩層，或者每個(gè)小組走線都需要一個(gè)專用層。正確的答案介于兩者之間，這取決于電路板上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，電路中可接受的紋波/抖動(dòng)水平，是否存在混合信號(hào)等等。
通常，如果您的概念證明可以在面包板上正常工作，則可以在兩層板上使用任何喜歡的布局技術(shù)，并且板極有可能正常工作。最多，您可能需要對(duì)高速信號(hào)采取網(wǎng)格接地方法（請(qǐng)參閱下文），以提供最低程度的EMI抑制。對(duì)于以高速或高頻（或兩者兼有）運(yùn)行的更復(fù)雜的設(shè)備，您至少需要四層PCB疊層，包括電源層，接地層和兩個(gè)信號(hào)層。
確定信號(hào)平面層的所需數(shù)量時(shí)，首先要考慮的是信號(hào)網(wǎng)的數(shù)量以及信號(hào)之間的近似寬度和間距。當(dāng)您嘗試估算堆疊中所需的信號(hào)層數(shù)時(shí)，可以采取兩個(gè)基本步驟：
確定凈計(jì)數(shù)：可以使用原理圖中的簡單凈計(jì)數(shù)和擬議的電路板尺寸來估算電路板上所需的信號(hào)層數(shù)。層數(shù)通常與分?jǐn)?shù)（凈值*走線寬度）/（板寬）成正比。換句話說，更多具有更寬走線的網(wǎng)絡(luò)需要使電路板更大，或者需要使用更多信號(hào)層。您必須默認(rèn)使用此處的經(jīng)驗(yàn)來確定在給定的電路板尺寸下容納所有網(wǎng)絡(luò)所需的信號(hào)層的確切數(shù)量。
添加您的平面層：如果需要對(duì)信號(hào)層進(jìn)行受控阻抗布線，則現(xiàn)在需要為每個(gè)受控阻抗信號(hào)層放置參考層。如果組件密集排列，則在組件層下面需要一個(gè)電源平面，因?yàn)樵诒砻鎸由蠜]有足夠的空間容納電源導(dǎo)軌。這可能導(dǎo)致高凈值HDI板所需的表面層數(shù)量達(dá)到兩位數(shù)，但是參考層將提供屏蔽和一致的特性阻抗。
一旦確定了多層板的正確層數(shù)，便可以繼續(xù)在PCB疊層中排列層。
設(shè)計(jì)PCB疊層
PCB疊層設(shè)計(jì)的下一步是安排每一層以提供走線路徑。通常，您的疊層圍繞中心芯層對(duì)稱布置，以防止在高溫裝配和操作過程中翹曲。平面和信號(hào)層的布置對(duì)于受控阻抗布線至關(guān)重要，因?yàn)槟枰獙?duì)不同的走線布置使用特定的方程式，以確保受控阻抗。
對(duì)于剛?cè)岑B層設(shè)計(jì)，您需要在疊層中為剛體和柔韌性區(qū)定義不同的區(qū)域。Allegro中的層堆棧設(shè)計(jì)工具使此過程變得容易。在將原理圖捕獲為空白PCB布局后，可以定義層堆棧以及通過不同層之間的過渡。然后，您可以繼續(xù)確定受控阻抗布線所需的走線尺寸。
帶狀線與微帶線和受控阻抗
為了控制阻抗，應(yīng)使用帶狀線阻抗方程式設(shè)計(jì)在兩個(gè)平面層之間的內(nèi)部層上布線的走線。該方程式定義了帶狀線具有特定特性阻抗值所需的幾何形狀。由于方程式中有三個(gè)不同的幾何參數(shù)確定阻抗，因此最簡單的方法是首先確定所需的層數(shù)，因?yàn)檫@將確定給定板厚度的層厚度。內(nèi)部信號(hào)平面層的銅重量通常為0.5或1 oz./sq.。ft。這將走線寬度作為最后一個(gè)參數(shù)來確定特定的特性阻抗。
相同的過程適用于表面層上的微帶線。確定層厚度和銅重量后，您只需確定用于定義特性阻抗的走線寬度即可。Allegro中的PCB設(shè)計(jì)工具包括一個(gè)阻抗計(jì)算器，可以幫助您確定走線的大小，以便它們定義了特征阻抗。如果需要使用差分對(duì)，則只需將每一層中的走線定義為差分對(duì)，阻抗計(jì)算器將確定走線之間的正確間距。
4層板的特性阻抗計(jì)算器。
檢查PCB布局中的阻抗
在實(shí)際板上布線時(shí)，它們可以電容或電感耦合至其他跡線和導(dǎo)體。附近導(dǎo)體產(chǎn)生的寄生電容和電感會(huì)改變實(shí)際布局中的走線阻抗。為了確保您已達(dá)到堆疊中所有層的阻抗目標(biāo)，您需要一個(gè)阻抗分析工具來跟蹤整個(gè)選定信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中的阻抗。如果在PCB布局中看到不可接受的較大變化，則可以快速選擇走線并調(diào)整布線，以消除互連中的這些阻抗變化。
下面顯示了一個(gè)示例，其中沿跡線的大阻抗變化以紅色標(biāo)記。應(yīng)該調(diào)整該區(qū)域中跡線之間的間隔，以消除此阻抗變化或使其處于可接受的公差范圍內(nèi)。您可以在設(shè)計(jì)規(guī)則中定義所需的阻抗容限，布局后阻抗計(jì)算器工具將根據(jù)所需的阻抗值檢查布線。
模擬部分與數(shù)字部分以及您的層堆疊
在上面的討論中，我們僅研究了數(shù)字信號(hào)，因?yàn)樗鼈儽饶M系統(tǒng)的要求更高。全模擬板或混合信號(hào)板呢？對(duì)于模擬板，電源完整性要容易得多，但信號(hào)完整性則要困難得多。對(duì)于混合信號(hào)板，您需要將上面顯示的數(shù)字方法與此處介紹的模擬方法結(jié)合起來。
數(shù)字信號(hào)的帶寬可以擴(kuò)展到某個(gè)高頻，通常將拐點(diǎn)頻率作為二進(jìn)制信號(hào)的頻率。拐點(diǎn)頻率大約為0.35 /（上升時(shí)間），對(duì)于1 ns上升時(shí)間的信號(hào)，拐點(diǎn)頻率為350 MHz。對(duì)于更快的低至約20 ps的數(shù)字信號(hào)，拐點(diǎn)頻率現(xiàn)在擴(kuò)展到17.5 GHz。對(duì)于模擬信號(hào)，帶寬要窄得多，您只需要擔(dān)心此帶寬內(nèi)的電源層阻抗和插入/回波損耗。這使得電源完整性和信號(hào)完整性更加容易。超出此帶寬的信號(hào)鏈中的任何損耗或高PDN阻抗均可忽略。
高層PCB上IC的電磁仿真模型。
信號(hào)隔離
另一種選擇是更高級(jí)的，需要使用接地的銅粉或通過圍欄來確保電路板不同部分之間的隔離。如果在模擬走線的旁邊進(jìn)行地面澆注，那么您剛剛創(chuàng)建了一個(gè)共面波導(dǎo)，它具有很高的隔離度，是路由高頻模擬信號(hào)的常見選擇。如果要使用圍欄或其他高頻導(dǎo)電隔離結(jié)構(gòu)，則應(yīng)使用電磁場求解器檢查隔離情況，并確定是否應(yīng)選擇在不同信號(hào)層中進(jìn)行隔離。
回程計(jì)劃
在板上混合模擬和數(shù)字信號(hào)對(duì)跟蹤接地回路的位移電流以及數(shù)字和模擬板部分之間的隔離提出了嚴(yán)格的要求。電路板的布置應(yīng)確保模擬返回路徑不會(huì)在數(shù)字組件附近交叉，反之亦然。這可以像將數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)分成由各自的接地層分隔的不同層一樣簡單。盡管這會(huì)增加成本，但可以確保不同部分之間的隔離。
如果模擬組件是從交流電源汲取的，則模擬組件可能還需要專用的模擬電源板。在電力電子設(shè)備之外，這是一種罕見的情況，但是從概念上講，只要您可以分析返回路徑計(jì)劃，它就很容易處理。如果將模擬電源部分放在數(shù)字部分的上游，并且將其分開放置，則可以避免使用單一電源平面來同時(shí)處理兩種信號(hào)。如果正確規(guī)劃返回路徑，則可以防止不同電源部分和接地部分之間的干擾。對(duì)于具有開關(guān)穩(wěn)壓器的直流電源部分，需要將直流部分的開關(guān)噪聲與交流部分分開，就像數(shù)字信號(hào)需要與模擬信號(hào)分開一樣。
豐樂壹博專業(yè)PCB設(shè)計(jì)、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
標(biāo)簽：PCB設(shè)計(jì)
