PCB部落格 - 如何設計PCB板堆疊

a中的每一層 PCB板 在確定電力行為中起特定作用. 訊號平面層在組件之間傳輸功率和電信號, 但除非在內層中正確放置銅平面, 它們可能無法正常工作. 除了訊號層之外, 你的 PCB板 還需要電力和地面, 你需要把它們放在 PCB板 堆疊以確保新電路板正常工作. 那麼，權力在哪裡呢, 地, 並放置訊號層? 這是中國長期以來的爭論之一 PCB板 設計, 迫使設計師仔細考慮其電路板的預期應用, 組件的功能, 以及板上的訊號公差. 如果你瞭解阻抗變化的極限, 抖動, 電壓紋波vs. PDN阻抗, 和串擾抑制, 您可以確定要放置在電路板上的訊號層和平面層的正確排列. 將您的設計意圖付諸實踐需要以下權利： PCB板 設計工具集. 無論您是想要創建簡單的兩層板還是具有幾十層的高速PCB, PCB板 設計軟體需要適合任何應用.

在定義訊號平面堆棧時，入門級設計人員可能傾向於將事情推向極端。 他們只需要兩層每板或一個專用層每小針。 正確答案介於兩者之間，這取決於電路板上的網絡數量、電路中可接受的紋波/抖動水准、混合訊號的存在等。一般來說，如果您的概念驗證在試驗板上工作良好，您可以在兩層板上使用任何您喜歡的佈局科技，並且該板很有可能工作。 在許多情况下，您可能需要對高速訊號使用電網接地方法，以提供一定程度的EMI抑制。 對於以高速或高頻（或兩者）運行的更複雜設備，您需要至少四個PCB板堆疊，包括電源平面、接地平面和兩個訊號平面。 在確定所需的訊號平面層數量時，首先考慮的是訊號網絡的數量以及訊號之間的近似寬度和間距。 當您試圖估計堆棧中所需的訊號層數量時，可以採取兩個基本步驟：

確定淨計數：根據原理圖和建議的電路板尺寸的簡單淨計數可用於估計電路板上所需的訊號層數量。 層數通常與分數（淨*跡線寬度）/（電路板寬度）成比例。 換句話說，更多具有更寬跡線的網絡需要使電路板更大或需要使用更多的訊號層。 您必須默認使用此處的經驗來確定容納給定板尺寸的所有網絡所需的訊號層的確切數量。

添加平面層：如果訊號層需要受控阻抗佈線，現在需要為每個受控阻抗訊號層放置參攷層。 如果組件密集封裝，則組件層下方需要電源平面，因為表面層上沒有足够的空間容納電源軌。 這可能導致高淨值HDI板需要兩位數的表面層，但參攷層將提供遮罩和一致的特性阻抗。 確定多層板的正確層數後，您可以繼續排列PCB板堆疊中的層數。

設計PCB堆疊

PCB堆疊設計的下一步是安排每個層以提供跟踪路徑。 您的層壓板通常圍繞中心芯對稱佈置，以防止高溫組裝和搬運過程中發生翹曲。 平面和訊號層的放置對於阻抗控制佈線至關重要，因為您需要為不同的軌跡放置使用特定的方程，以確保阻抗得到控制。 對於剛-柔堆疊設計，需要在剛-柔區域的堆疊中定義不同的區域。 Allegro中的層堆棧設計工具使這一過程變得簡單。 將原理圖捕獲為空白PCB板佈局後，可以定義層堆棧，並可以定義通過不同層的過渡。 然後，您可以繼續確定受控阻抗佈線所需的軌跡尺寸。

帶狀線與微帶和受控阻抗

為了控制阻抗，應使用帶狀線阻抗方程設計在兩個平面層之間的內層上佈線的跡線。 該方程定義了帶狀線具有特定特性阻抗值所需的幾何形狀。 由於方程中有三個不同的幾何參數來確定阻抗，囙此很容易首先確定所需的層數，因為這將確定給定板厚度的層厚度。 內部訊號平面層的銅重量通常為0.5或1盎司/平方英尺。這使用跡線寬度作為確定特定特性阻抗的參數。 同樣的過程適用於表面層上的微帶線。 確定層厚度和銅重量後，只需確定定義特性阻抗的跡線寬度。 PCB板設計工具包括一個阻抗小算盘，可以幫助您確定跡線的大小，從而定義其特性阻抗。 如果需要使用差分對，只需將每個層中的跡線定義為差分對即可，阻抗小算盘將確定跡線之間的正確間距。 當在實際板上佈線時，它們可以電容或電感耦合到其他跡線和導體。 來自附近導體的寄生電容和電感可以改變實際佈局中的軌跡阻抗。 為了確保滿足堆棧中所有層的阻抗目標，需要使用阻抗分析工具來跟踪選定訊號網絡中的阻抗。 如果在PCB板佈局中看到不可接受的大變化，可以快速選擇跡線並調整佈線，以消除互連中的阻抗變化。 如果沿軌跡的阻抗變化較大，則用紅色標記。應調整該區域軌跡之間的間距，以消除該阻抗變化或使其在可接受的公差範圍內。 您可以在設計規則中定義所需的阻抗公差，佈局後阻抗小算盘工具將根據所需阻抗值檢查佈線。 在上面的討論中，我們只研究了數位信號，因為它們比類比系統要求更高。 全類比或混合訊號板怎麼樣？ 對於類比板，電源完整性要容易得多，但信號完整性要困難得多。 對於混合訊號板，您需要將上述數位方法與此處描述的類比方法相結合。

數位信號的頻寬可以擴展到某個高頻，通常，角頻率被視為二進位訊號的頻率。 轉角頻率約為0.35/（上升時間），對於上升時間為1ns的訊號，轉角頻率為350MHz。 對於低至約20ps的更快數位信號，拐點頻率現在擴展至17.5GHz。 對於類比信號，頻寬要窄得多，您只需要擔心該頻寬內的功率面阻抗和插入/返回損耗。 這使得電源完整性和信號完整性更容易。 該頻寬之外的訊號鏈中的任何損耗或高PDN阻抗都可以忽略不計。

訊號隔離

另一種選擇更具侵略性，需要使用接地銅粉或穿過圍欄，以確保電路板不同部分之間的隔離。 如果您在類比跡線旁邊進行地面澆注，則您剛剛創建了一個共面波導，它具有高隔離度，是高頻類比信號佈線的常見選擇。 如果要使用圍欄或其他高頻導電隔離結構，應使用電磁場解算器檢查隔離，並確定是否應選擇不同訊號層的隔離。

返回計畫

在板上混合類比和數位信號對跟踪接地回路位移電流以及數位和類比板部分之間的隔離提出了嚴格要求. 這個 佈局  應確保類比返回路徑不會在數位組件附近交叉，反之亦然。這簡單地將數位和類比信號分成不同的層，由它們各自的接地平面分隔. 儘管這新增了成本, 它確保了不同部件之間的隔離. 如果類比組件來自交流電源，則也可能需要專用類比電源板. 電力電子以外, 這是一個罕見的案例, 但從概念上講，只要您能够分析返回路徑規劃，就很容易處理. 如果類比電源部分位於上游，並與數位信號部分分離, 一個電源平面可以專用於兩個訊號. 如果正確規劃返回路徑，可以防止不同電源和接地段之間的干擾. 對於帶開關調節器的直流電源部分, 直流部分的開關雜訊需要與交流部分分離, 正如數位信號需要與類比信號分離一樣 PCB板.