手把手教你画高速电路板,画几层板你说了算

对于高速信号的定义,之前的文章有讲过,当信号的时钟频率超过5MHz,或信号上升/下降的时间小于5ns时,一般需要使用多层板的设计。原因在于多层板设计可以有效控制信号回路的面积,以此来获得优秀的电气性能。

PCB的层叠结构设计是进行信号完整性分析的基础,一般原则如下:

  • 元件面的下层为地平面,以便为器件提供屏蔽层和为顶层布线提供参考平面;
  • 所有信号层应尽可能与地平面相邻;
  • 尽量避免两信号层直接相连;
  • 主电源尽量与对应的地相邻;
  • 要兼顾层压结构的对称;
  • 无相邻平面布线层;
  • 关键信号应与地平面相邻,不跨分割区。

示例1

对于多层板,关键布线层(时钟线、总线、接口信号线、射频线、复位信号线、片选信号线以及各种控制信号线等所在层)应与完整地平面相邻,优选两地平面之间。而关键信号线一般都是强辐射或极其敏感的信号线,靠近地平面布线能够使其信号回路面积减小,随之减小其辐射强度或提高抗干扰能力。

示例2

对于单层板,关键信号线的两侧应该布“保卫地线”(Guide Ground Line),一方面可以减小信号回路面积,另一方面可以防止信号线与其它信号线之间的串扰,布置方法如下图所示:

示例3

而如果是双层板,则要求关键信号线的投影平面上有大面积敷地,也可以参考单层板的设计方法,使用“保卫地线”。

示例4

多层板中,电源平面应相对于其相邻地平面内缩(建议5~20H),可以有效抑制“边沿辐射”问题。

示例5

布线层如果不在其回流平面层的投影区域内,在布线时将会有信号线暴露在投影区域外,从而导致“边沿辐射”问题,并且还会导致信号的回路面积增大,同时差模辐射会变大。因此布线层的投影平面应该在其回流平面层的区域内。

示例6

在多层板设计时还需注意,单板的顶层和底层是否无≥50MHz的信号线,最好将高频信号线走在两个平面层中间,以抑制其对空间的辐射。

示例7

多层板中,单板的主工作电源平面(使用最广泛的电源平面)应与其地平面相邻,可以有效减小电源电流的回路面积。

示例8

在单层板中,电源走线附近必须有地线与其相邻,平行走线,其目的同样是为了减小电源电流的回路面积。

示例9

同理,在双层板中,电源走线附近也必须要有地线与其相邻,平行走线。

示例10

在分层设计时,应尽量避免布线层相邻的设计,如果无法避免,应该适当拉大两布线层之间的层间距,缩小信号层与其信号回路之间的层间距,防止相邻布线层上面的平行信号走线所引起的串扰。

示例11

相邻的平面层应该尽量避免其投影平面重叠,当投影平面重叠时,层与层之间的耦合电容会导致各层之间的噪声互相耦合。

下面来重点讲解多层板叠层设计方案的优缺点,选择哪种方案应该根据信号质量的要求,制作工艺要求以及生产成本等多方面考虑。

四层板

方案1:信号层1应走线较多,且包含关键信号,因而直接与参考地平面相邻。从地层到电源层的阻抗控制芯板不宜过厚,以降低电源以及地平面的分布阻抗,保证电源平面的去耦效果;

方案2:整板无电源平面,只有GND和PGND各占一个平面,适用于多数器件为插件,且走线简单的PCB设计。

六层板

方案1:优点是各信号层均有完整的参考层,而且没有信号层相邻,避免了不同信号之间的串扰。信号层2为最优布线层,电源层和地层相邻,使得电源阻抗减小。但是该方案的缺点也很明显,就是布线层只有3层,对于布线量较大的设计,只能选择其他方案或增加叠层,这又会导致叠层不对称的问题出现;

方案2:最大的好处是布线层达到了4层,其中优选布线层为S1和S2。缺点是地平面和电源平面不相邻,增加了电源阻抗;

方案3:优点是电源层和地层相邻,减小了电源阻抗,而且可布线层也达到了4层,但S1、S2、S3、S4全部裸露在外,只有S2才有较好的参考平面,S1和S2、S3和S4容易串扰。

八层板

目前行业内八层板的叠层设计方案有很多选择,但还是更推荐方案1和方案2,其中方案1是最佳的选择,它可以做到完美的阻抗控制;

而方案2应该选择S1和S2作为优先布线层,同时将POWER1设置为主电源。

叠层设计对照表

以上就是高速电路板叠层设计的实用技巧,具体该如何应用到实际产品的设计中,要根据每个产品给出的不同要求,结合产品规格、设计难度、项目周期、成本预算、生产工艺以及供应商的制作能力等要素来综合评估,才能得出一个合理的方案。

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