PCB新聞 - 高速PCB設計中的疊加問題

隨著高速電路的不斷出現, 的複雜性 PCB板 越來越高. 為了避免電力因素的干擾, 訊號層和功率層必須分開, 所以設計 多層PCB 涉及. 在多層板的設計中, 層次的安排特別重要. 良好的堆棧設計將大大减少電磁干擾和串擾的影響. 在下麵的討論中, 我們將具體分析堆棧設計如何影響高速電路的電力效能.

一. Multilayer board and copper layer (Plane)
Compared with ordinary PCB板 在多層板的設計中, 除了添加必要的訊號佈線層之外, the most important thing is to arrange independent power and ground layers (copper layers). 在高速數位電路系統中, the advantages of using power and ground to replace the previous power and ground buses are mainly:
Provide a stable reference voltage for the conversion of digital signals.
Evenly apply power to each logic device at the same time
Effectively suppress crosstalk between signals
The reason is that the use of a large area of copper as the power supply and ground layer greatly reduces the resistance between the power supply and the ground, 囙此，功率層上的電壓非常均勻和穩定, 它可以確保每個訊號線都有一個與其對應的閉合接地層. 同時, 訊號線的特性阻抗降低, 這對有效减少串擾也非常有益. 因此, 對於一些高端高速電路設計, it has been clearly stipulated that a 6-layer (or more) stacking solution must be used, 例如英特爾對PC133記憶體模組的要求 PCB板. 這主要是考慮多層板的電力特性, 以及抑制電磁輻射, 甚至抵抗物理和機械損傷的能力也明顯優於低層 PCB板.
如果你考慮成本因素, 並不是層數越多，價格就越貴, 因為 PCB板 不僅僅與層數有關, 但也與組織面積的佈線密度有關. 减少層數後, 佈線空間將不可避免地减少, 從而新增記錄道的密度, 甚至設計要求也必須通過减少線寬和縮短間距來降低. 通常情况下，這些導致的成本新增可能會超過通過减少堆疊而降低的成本. 再加上電力效能的惡化, 這種方法往往適得其反. 因此, 對於設計師, 必須考慮所有方面.

二. The influence of the ground plane layer on the signal under high frequency
If we take the PCB microstrip wiring as a transmission line model, 接地層也可以被視為傳輸線的一部分. 在這裡, “回路”的概念可以用來取代“接地”的概念. 接地銅層實際上是線路返回路徑的訊號. 功率層和接地層由大量去耦電容器連接. 如果是交流電, 功率層和地面層可以視為等效. 低頻電流回路和高頻電流回路的區別是什麼? 從下圖可以看出, 我們可以在低頻率下看到, 電流沿著電阻最小的路徑回流, 高頻時, 電流沿著最小電感. 回路回流也是阻抗最小的路徑, 回路電流集中並直接分佈在訊號軌跡下方.

在高頻下, 當導線直接佈置在地面層上時, 即使有較短的迴圈, 回路電流必須直接從原始訊號路徑下的佈線層流回信號源. 該路徑的阻抗最小, 那就是, 電感. 最小和最大電容. 這種通過大電容耦合抑制電場和通過小電感耦合抑制磁場以保持低電抗的方法稱為自遮罩.
The following formula reflects the law that the current density on the return path under the signal line changes with various conditions:


A conclusion can be drawn from the formula: on the current loop, 位置越靠近訊號線, 電流密度越大. 在這種情況下, 整個環路的面積最小, 電感也是最小的. 同時, 可以想像，如果訊號線和環路非常接近, 兩者的電流大致相同, 方向相反. 外部空間中產生的磁場可以相互抵消, 囙此對外界的電磁干擾也很小. 因此, 最好確保每個訊號佈線層具有與堆疊佈置相對應的閉合接地層.
現在考慮地平面上的串擾問題. 在高頻數位電路中, 串擾的主要原因是感應耦合的結果. 從上述回路電流密度分佈公式可以看出，當多條訊號線相對靠近時, 相互回路電流將重疊. 此時, 兩者之間的磁場將不可避免地相互干擾, 這會產生串擾雜訊. 串擾電壓的幅值與訊號線之間的距離D有關, 地平面的高度H和係數K, as shown in the figure below:

In the formula, K與訊號的上升時間和相互干擾的訊號線的長度有關. 對於堆疊配寘, 毫無疑問，縮短訊號層和地面層之間的距離將有效减少接地層的串擾.
在實際PCB佈局中, 經常會遇到這樣的問題. 如果不注意電源和地面層的銅線鋪設, 銅鋪設區域可能會出現一個孤立的凹槽. 這種情況通常是由於過孔引起的. It is caused by unreasonable design of isolation area or via hole (as shown in the figure). 其結果是减慢上升時間並新增回路面積, 這會導致電感新增, 容易產生不必要的串擾和電磁干擾. 我們必須避免這種現象.

The increased inductance due to the detour of the loop current can be roughly expressed as:
L=5Dln(D/W)
D represents the vertical distance from the signal line to the nearest end of the broken slot, W是軌跡的線寬.

3. Several typical laminated schemes and analysis
After understanding the above basic knowledge, 我們可以繪製相應的分層設計方案. 一般來說, try to follow the following rules:

The copper layers should preferably be arranged in pairs. 例如, 2, 5或3, 四層六層板應為銅質. 這是由於過程中需要平衡結構, 因為不平衡的銅層可能會導致電路板翹曲變形.
訊號層和銅層應間隔放置, 最好每個訊號層可以與至少一個銅層相鄰.
縮短電源和接地層之間的距離有利於電源的穩定性和减少電磁干擾.
在非常高速的情况下, 您可以添加額外的接地層來隔離訊號層, 但建議不要添加更多的電源層來隔離, 這可能會導致不必要的雜訊干擾.
但實際情況是，上述各種因素不能同時得到滿足. 此時, 我們必須考慮一個相對合理的解決方案. Several typical laminated design schemes are analyzed below:
First analyze the laminated design of the four-layer board. 一般來說, 對於更複雜的高速電路, 最好不要使用4層板, 因為它有很多不穩定因素, 在物理和電力特性方面. 如果你必須設計一個四層板, 您可以考慮將其設定為：電源訊號地. 有一個更好的解決方案：外層和外層都接地, and the inner
Two-layer power and signal lines are used. 該解決方案是四層板設計的最佳堆疊解決方案. 它對電磁干擾有很好的抑制效果, 同時，降低訊號線的阻抗也是非常有益的. 佈線密度較高的電路板更加困難.
以下重點介紹六層板的堆棧設計. 現在許多電路板使用6層板科技, 比如記憶體模組的設計 PCB板. Most of them use 6-layer boards (high-capacity memory modules may use 10-layer boards. ). 最傳統的6層板堆棧的排列方式如下：訊號地面訊號功率訊號. 從阻抗控制的角度來看, 這種安排是合理的, 但是因為電源離地平面很遠, 它的輻射效應相對較小，共模EMI不是很好. 如果將銅區域更改為第3層和第4層, 這將導致訊號阻抗控制不良和差模電磁干擾强. 還計畫添加地平面層, 佈局為：訊號地訊號電源地訊號, 囙此，無論是從阻抗控制的角度還是從减少電磁干擾的角度來看, 它可以實現高速信號完整性設計所需的環境. 但缺點是層的堆疊不平衡. 第3層是訊號佈線層, 但相應的第四層是大面積銅的功率層. 這可能會在PCB製造中遇到一些問題. 設計時, 第3層上的所有空白區域都可以用銅覆蓋，以達到近似平衡結構的效果.
更複雜的電路實現需要使用十層板科技. 10層 PCB板 具有非常薄的絕緣介質層, 訊號層可以非常靠近地平面. 這邊, 層之間的阻抗變化得到了很好的控制. 通常地, 只要沒有出現嚴重的堆棧設計錯誤, 設計者可以輕鬆完成高品質的高速電路板設計. 如果佈線非常複雜，需要更多佈線層, 我們可以將堆棧設定為：訊號地面訊號功率訊號, 當然這種情況不是我們最好的是的, 我們需要將訊號軌跡佈置在少量的層中, 但要用冗餘接地層隔離其他訊號層, 囙此，更常見的疊加方案是：訊號-接地訊號-電源-接地訊號-訊號-接地訊號, 可以看到這裡使用了3個地平面層, and only one power supply is used (we only consider the case of a single power supply). 這是因為儘管功率層與接地層具有相同的阻抗控制效果, 電源層上的電壓受到更大的干擾, 存在更多高次諧波, 對外界的電磁干擾也很强, 所以它和訊號一起. 就像電線層一樣, 最好用地平面遮罩. 同時, 如果使用多餘功率層進行隔離, 回路電流必須通過去耦電容器從地平面轉換到功率平面. 以這種管道, 去耦電容器上的電壓降過大將導致不必要的雜訊影響.

四. Summarize
The above only discusses some of the problems encountered in PCB stack design. 具體應根據實際情況確定. 在能力範圍內, 通常需要考慮訊號質量和成本. 同時根據上述理論原則進行層壓板方案的設計, 我們還需要考慮其他一些佈線原則來配合, 例如每層的方向, 訊號層功率線寬度的定義, 以及去耦電容器的放置等等. 只有綜合考慮各種因素，才能最終設計出效能更好的電路板.

上面介紹了 高速PCB設計. Ipcb還提供給PCB製造商和PCB製造技術.