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[经验] 解开多年疑惑,原来PCB层叠竟有这些讲究!

昨天 07:00  216 pcb设计 高速PCB 电路板
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1、层叠的定义及添加
对高速多层板来说,默认的两层设计无法满足布线信号质量及走线密度要求,这个时候需要对PCB层叠进行添加,以满足设计的要求。
2、正片层与负片层
正片层就是平常用于走线的信号层(直观上看到的地方就是铜线),可以用“线”“铜皮”等进行大块铺铜与填充操作,如图8-32所示。
图8-32  正片层
负片层则正好相反,即默认铺铜,就是生成一个负片层之后整一层就已经被铺铜了,走线的地方是分割线,没有铜存在。要做的事情就是分割铺铜,再设置分割后的铺铜的网络即可,如图8-33所示。
图8-33  负片层
3、内电层的分割实现
protel版本中,内电压是用“分裂”来分割的,而现在用的版本altium Designer 19直接用“线条”、快捷键“PL”来分割。分割线不宜太细,可以选择15mil及以上。分割铺铜时,只要用“线条”画一个封闭的多边形框,再双击框内铺铜设置网络即可,如图8-34所示。
图8-34  双击给予网络
正、负片都可以用于内电层,正片通过走线和铺铜也可以实现。负片的好处在于默认大块铺铜填充,再进行添加过孔、改变铺铜大小等操作都不需要重新铺铜,这样省去了重新铺铜计算的时间。中间层用电源层和GND层(也称地层、地线层、接地层)时,层面上大多是大块铺铜,这样用负片的优势就很明显。
4、PCB层叠的认识
随着高速电路的不断涌现,PCB的复杂度也越来越高,为了避免电气因素的干扰,信号层和电源层必须分离,所以就牵涉到多层PCB的设计。在设计多层PCB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。这就是设计多层板的一个简单概念。
确定层数之后,再确定内电层的放置位置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的EMC性能的一个重要因素,一个好的层叠设计方案将会大大减小电磁干扰(EMI)及串扰的影响。
板的层数不是越多越好,也不是越少越好,确定多层PCB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。对生产厂家来说,层叠结构对称与否是PCB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。
对有经验的设计人员来说,在完成元件的预布局后,会对PCB的布线瓶颈处进行重点分析,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层数。这样,整个电路板的层数就基本确定了。
5、常见的PCB层叠
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。图8-35和图8-36分别列出了常见的4层板和6层板的层叠结构。
图8-35  常见的4层板的层叠结构
图8-36  常见的6层板的层叠结构
6、层叠分析
怎么层叠?哪样层叠更好?一般遵循以下几点基本原则。
① 元件面、焊接面为完整的地平面(屏蔽)。
② 尽可能无相邻平行布线层。
③ 所有信号层尽可能与地平面相邻。
④ 关键信号与地层相邻,不跨分割区。
可以根据以上原则,对如图8-35和图8-36所示的常见的层叠方案进行分析,分析情况如下。
(1)3种常见的4层板的层叠方案优缺点对比如表8-1所示。
(2)4种常见的6层板的层叠方案优缺点对比如表8-2所示。
通过方案1到方案4的对比发现,在优先考虑信号的情况下,选择方案3和方案4会明显优于前面两种方案。但是在实际设计中,产品都是比较在乎成本的,然后又因为布线密度大,通常会选择方案1来做层叠结构,所以在布线的时候一定要注意相邻两个信号层的信号交叉布线,尽量让串扰降到最低。
(3)常见的8层板的层叠推荐方案如图8-37所示,优选方案1和方案2,可用方案3。
图8-37  常见的8层板的层叠推荐方案
7、层的添加及编辑
确认层叠方案之后,如何在Altium Designer当中进行层的添加操作呢?下面简单举例说明如下。
(1)执行菜单命令“设计-层叠管理器”或者按快捷键“DK”,进入如图8-38所示的层叠管理器,进行相关参数设置。
图8-38  层叠管理器
(2)单击鼠标右键,执行“Insert layer above”或“Insert layer below”命令,可以进行添加层操作,可添加正片或负片;执行“Move layer up”或“Move layer down”命令,可以对添加的层顺序进行调整。
(3)双击相应的名称,可以更改名称,,一般可以改为TOP、GND02、SIN03、SIN04、PWR05、BOTTOM这样,即采用“字母+层序号(Altium Designer 19自带这个功能)”,这样方便读取识别。
(4)根据层叠结构设置板层厚度。
(5)为了满足设计的20H,可以设置负片层的内缩量。
(6)单击“OK”按钮,完成层叠设置。一个4层板的层叠效果如图8-39所示。
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前天 14:56 上传



图8-39  4层板的层叠效果
建议信号层采取正片的方式处理,电源层和地线层采取负片的方式处理,可以在很大程度上减小文件数据量的大小和提高设计的速度。

王栋春 昨天 12:44
学习受教了
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JHKDKLW 昨天 20:15
板凳
谢谢楼主分享!学习受教了。
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