硬體工程師必須掌握的PCB疊層設計內容

2022-06-10 05:03:08 字數 2929 閱讀 7691

總的來說疊層設計主要要遵從兩個規矩:

1. 每個走線層都必須有乙個鄰近的參考層(電源或地層);

2. 鄰近的主電源層和地層要保持最小間距,以提供較大的耦合電容;

下面列出從兩層板到八層板的疊層來進行示例講解:

一、單面pcb板和雙面pcb板的疊層

對於兩層板來說,由於板層數量少,已經不存在疊層的問題。控制emi輻射主要從佈線和布局來考慮;

單層板和雙層板的電磁相容問題越來越突出。造成這種現象的主要原因就是因訊號迴路面積過大,不僅產生了較強的電磁輻射,而且使電路對外界干擾敏感。要改善線路的電磁相容性,最簡單的方法是減小關鍵訊號的迴路面積。

關鍵訊號:從電磁相容的角度考慮,關鍵訊號主要指產生較強輻射的訊號和對外界敏感的訊號。能夠產生較強輻射的訊號一般是週期性訊號,如時鐘或位址的低位訊號。對干擾敏感的訊號是指那些電平較低的模擬訊號。

單、雙層板通常使用在低於10khz的低頻模擬設計中:

1)在同一層的電源走線以輻射狀走線,並最小化線的長度總和;

2)走電源、地線時,相互靠近;在關鍵訊號線邊上布一條地線,這條地線應盡量靠近訊號線。這樣就形成了較小的迴路面積,減小差模輻射對外界干擾的敏感度。當訊號線的旁邊加一條地線後,就形成了乙個面積最小的迴路,訊號電流肯定會取到這個迴路,而不是其它地線路徑。

二、四層板的疊層

1. sig-gnd(pwr)-pwr (gnd)-sig;2. gnd-sig(pwr)-sig(pwr)-gnd;

對於以上兩種疊層設計,潛在的問題是對於傳統的1.6mm(62mil)板厚。層間距將會變得很大,不僅不利於控制阻抗,層間耦合及遮蔽;特別是電源地層之間間距很大,降低了板電容,不利於濾除雜訊。

對於第一種方案,通常應用於板上晶元較多的情況。這種方案可得到較好的si效能,對於emi效能來說並不是很好,主要要通過走線及其他細節來控制。主要注意:地層放在訊號最密集的訊號層的相連層,有利於吸收和抑制輻射;增大板面積,體現20h規則。

對於第二種方案,通常應用於板上晶元密度足夠低和晶元周圍有足夠面積(放置所要求的電源覆銅層)的場合。此種方案pcb的外層均為地層,中間兩層均為訊號 /電源層。訊號層上的電源用寬線走線,這可使電源電流的路徑阻抗低,且訊號微帶路徑的阻抗也低,也可通過外層地遮蔽內層訊號輻射。從emi控制的角度看, 這是現有的最佳4層pcb結構。

注意:中間兩層訊號、電源混合層間距要拉開,走線方向垂直,避免出現串擾;適當控制板面積,體現20h規則;如果要控 制走線阻抗,上述方案要非常小心地將走線布置在電源和接地鋪銅的下邊。另外,電源或地層上的鋪銅之間應盡可能地互連在一起,以確保dc和低頻的連線性。

三、六層板的疊層

1.sig-gnd-sig-pwr-gnd-sig;對於這種方案,這種疊層方案可得到較好的訊號完整性,訊號層與接地層相鄰,電源層和接地層配對,每個走線層的阻抗都可較好控制,且兩個地層都是能良好的吸收磁力線。並且在電源、地層完整的情況下能為每個訊號層都提供較好的回流路徑。

2.gnd-sig-gnd-pwr-sig -gnd;對於這種方案,該種方案只適用於器件密度不是很高的情況,這種疊層具有上面疊層的所有優點,並且這樣頂層和底層的地平面比較完整,能作為乙個較好的遮蔽層 來使用。需要注意的是電源層要靠近非主元件面的那一層,因為底層的平面會更完整。因此,emi效能要比第一種方案好。

小結:對於六層板的方案,電源層與地層之間的間距應盡量減小,以獲得好的電源、地耦合。但62mil的板厚,層間距雖然得到減小,還是不容易把主電源與地 層之間的間距控制得很小。對比第一種方案與第二種方案,第二種方案成本要大大增加。因此,我們疊層時通常選擇第一種方案。設計時,遵循20h規則和映象層 規則設計。

四、八層板的疊層

1、由於差的電磁吸收能力和大的電源阻抗導致這種不是一種好的疊層方式。它的結構如下:

1.signal 1 元件面、微帶走線層

2.signal 2 內部微帶走線層,較好的走線層(x方向)

3.ground

4.signal 3 帶狀線走線層,較好的走線層(y方向)

5.signal 4 帶狀線走線層

6.power

7.signal 5 內部微帶走線層

8.signal 6 微帶走線層

2、是第三種疊層方式的變種,由於增加了參考層,具有較好的emi效能,各訊號層的特性阻抗可以很好的控制。

1.signal 1 元件面、微帶走線層,好的走線層

2.ground 地層,較好的電磁波吸收能力

3.signal 2 帶狀線走線層,好的走線層

4.power 電源層,與下面的地層構成優秀的電磁吸收 5.ground 地層

6.signal 3 帶狀線走線層,好的走線層

7.power 地層,具有較大的電源阻抗

8.signal 4 微帶走線層,好的走線層

3、最佳疊層方式,由於多層地參考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。

1.signal 1 元件面、微帶走線層,好的走線層

2.ground 地層,較好的電磁波吸收能力

3.signal 2 帶狀線走線層,好的走線層

4.power 電源層,與下面的地層構成優秀的電磁吸收 5.ground 地層

6.signal 3 帶狀線走線層,好的走線層

7.ground 地層,較好的電磁波吸收能力

8.signal 4 微帶走線層,好的走線層

對於如何選擇設計用幾層板和用什麼方式的疊層,要根據板上訊號網路的數量,器件密度,pin密度,訊號的頻率,板的大小等許多因素。對於這些因素我們要綜 合考慮。對於訊號網路的數量越多,器件密度越大,pin密度越大,訊號的頻率越高的設計應盡量採用多層板設計。為得到好的emi效能最好保證每個訊號層都 有自己的參考層。

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