一文详解PCB分层策略及PCB多层板的设计原则

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PCB从结构上可分为单面板、双面板和多层板,不同的板子,它们的设计重点有所不同。本文,我们主要来了解下PCB分层策略以及PCB多层板的设计原则。

PCB分层策略

从信号走线来看,好的分层策略应该是把所有的信号走线放在一层或若干层,这些层紧挨著电源层或接地层。对于电源,好的分层策略应该是电源层与接地层相邻,且电源层与接地层的距离尽可能小,这就是我们所讲的“分层”策略。

优良的PCB分层策略如下:

1. 布线层的投影平面应该在其回流平面层区域内。布线层如果不在其回流平面层地投影区域内,在布线时将会有信号线在投影区域外,导致“边缘辐射”问题,并且还会导致信号回路面积地增大,导致差模辐射增大。

2. 尽量避免布线层相邻的设置。因为相邻布线层上的平行信号走线会导致信号串扰,所以如果无法避免布线层相邻,应该适当拉大两布线层之间的层间距,缩小布线层与其信号回路之间的层间距。

3.相邻平面层应避免其投影平面重叠。因为投影重叠时,层与层之间的耦合电容会导致各层之间的噪声互相耦合。

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PCB多层板的设计原则

时钟频率超过5MHz,或信号上升时间小于5ns时,为了使信号回路面积能够得到很好的控制,一般需要使用多层板设计(高速PCB普遍采用多层板来进行设计)。在设计多层板时,我们应注意如下几点原则:

1.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,如图1所示。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,减小其辐射强度或提高抗干扰能力。

图1 关键布线层在两地平面之间

图1 关键布线层在两地平面之间

2.电源平面应相对于其相邻地平面内缩(建议值5H~20H)。电源平面相对于其回流地平面内缩可以有效抑制“边缘辐射”问题,如图2所示。

图2 电源平面应相对于其相邻地平面内缩

图2 电源平面应相对于其相邻地平面内缩

此外,单板主工作电源平面(使用最广泛的电源平面)应与其地平面紧邻,以有效地减小电源电流的回路面积,如图3所示。

图3 电源平面应与其地平面紧邻

图3 电源平面应与其地平面紧邻

3.单板TOP、BOTTOM层是否无≥50MHz的信号线。如有,最好将高频信号走在两个平面层之间,以抑制其对空间的辐射。

知识扩展:多层PCB的层数多少取决于电路板的复杂程度,一款PCB设计的层数及层叠方案取决于硬件成本、高密元器件的出线、信号质量控制、原理图信号定义、PCB 厂家加工能力基线等因素。

PCB单层板和双层板设计

对于单层板和双层板的设计,主要应注意关键信号线和电源线的设计。电源走线附近必须有地线与其紧邻、平行走线,以减小电源电流回路面积。

单层板的关键信号线两侧应该布“Guide Ground Line”,如图4所示。双层板的关键信号线地投影平面上应有大面积铺地,或者同单层板地处理办法,设计“Guide Ground Line”,如图5所示。关键信号线两侧地“保卫地线”一方面可以减小信号回路面积,另外,还可以防止信号线与其他信号线之间地串扰。

图4单层板的关键信号线两侧布“Guide Ground Line”

图4单层板的关键信号线两侧布“Guide Ground Line”

图5 双层板的关键信号线地投影平面上大面积铺地

图5 双层板的关键信号线地投影平面上大面积铺地

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