PCB科技 - 如何設計PCB疊層訊號平面堆疊

PCB中的每一層在確定電力行為方面都起著特定的作用。 訊號平面層在組件之間傳輸功率和電信號，但除非將銅平面正確放置在內層，否則它們可能無法正常工作。 除了訊號層之外，您的PCB還需要一個電源和接地層，您需要將它們放置在PCB堆棧中，以確保新板正常工作。

動力在哪裡, 放置接地層和訊號層? 這是一個長期爭論的問題 PCB設計, 迫使設計師仔細考慮其電路板的預期用途, 其組件的功能, 以及電路板上的訊號容差. 如果你瞭解阻抗變化的極限, 抖動, 電壓紋波和PDN阻抗, 和串擾抑制, 您可以確定要放置在板上的訊號層和平面層的正確排列.

一般來說，如果您的概念驗證在試驗板上工作，您可以在兩層板上使用任何首選的佈局科技，該板很可能會工作。 您可能需要使用電網接地方法來處理高速訊號，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層，包括電源層、接地層和兩個訊號層。

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。 當您嘗試估計堆棧中所需的訊號層數量時，可以採取兩個基本步驟：

確定網絡計數：可以使用中的簡單網絡計數估計電路板上所需的訊號層數量

e示意圖和擬議的電路板尺寸。 層數通常與分數（淨*線寬）/（板寬）成比例。 換句話說，更寬線路的網絡需要更大的電路板或更多的訊號層。 默認情况下，您必須使用此處的經驗來確定在給定板尺寸下容納所有網絡所需的訊號層的確切數量。

添加平坦層：如果需要使用受控阻抗路由訊號層，現在需要為每個受控阻抗訊號層放置一個參攷層。 如果組件密集包裝，則需要在組件層下方安裝功率平面，因為表面層上沒有足够的空間容納功率導軌。 這可能導致高淨值HDI板需要兩位數的表層，但參攷層將提供遮罩和一致的特性阻抗。

一旦確定多層膜的正確層數，就可以繼續排列PCB堆棧中的層數。

設計PCB層壓

PCB層壓設計的下一步是安排每一層以提供佈線。 疊片通常圍繞中心芯對稱排列，以防止在高溫組裝和操作期間翹曲。 平面層和訊號層的佈局對於阻抗控制佈線至關重要，因為需要為不同的佈線安排使用特定的方程來確保阻抗控制。

對於剛柔層壓板設計，需要在層壓板中為剛柔區域定義不同的區域。 Allegro中的層堆棧設計工具使這一過程變得簡單。 在將原理圖捕獲為空白PCB佈局後，您可以定義層堆棧和通過不同層的過渡。 然後，您可以繼續確定受控阻抗佈線所需的佈線尺寸。

帶狀線、微帶線和受控阻抗

為了控制阻抗，應使用帶狀線阻抗方程設計兩個平面層之間的內層佈線。 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3個不同的幾何參數來確定阻抗，簡單的方法是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1oz/ 平方英尺。它使用線寬作為參數來確定特定特性的阻抗。

同樣的過程適用於表面層上的微帶線。 在確定層厚度和銅重量後，您只需要確定用於定義特性阻抗的線寬。 PCB設計工具包括一個阻抗小算盘，它可以幫助您確定佈線的大小，從而定義連接

分形阻抗。 如果需要差分對，只需將每層中的線定義為差分對，阻抗小算盘將確定線之間的正確間距。

在實際電路板上佈線期間，它們可以電耦合或感應耦合到其他軌跡和導體。 來自附近導體的寄生電容和電感可以改變實際佈局中的佈線阻抗。 為了確保已達到堆棧中所有層的阻抗目標，需要阻抗分析工具來跟踪整個選定訊號網絡的阻抗。 如果在PCB佈局中看到不可接受的較大變化，可以快速選擇佈線並調整佈線，以消除互連中的這些阻抗變化。

沿著軌跡的大阻抗變化用紅色標記。 應調整該區域中記錄道之間的間距，以消除這種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的阻抗值檢查接線。

在上述討論中，我們只研究了數位信號，因為它們比類比系統要求更高。 全類比板或混合訊號板怎麼樣？ 對於類比電路板，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。

訊號隔離

另一種選擇更多，需要使用接地銅粉或圍欄，以確保電路板不同部分之間的隔離。 如果在類比佈線旁邊執行接地投射，則剛剛創建了具有高隔離度的共面波導，這是路由高頻類比信號的常見選擇。 如果要使用圍欄或其他高頻導電隔離結構，則應使用電磁場求解器檢查隔離，並確定是否應選擇不同訊號層中的隔離。

回程計畫

板上類比和數位信號的混合對跟踪接地回路的位移電流以及數位和類比板部件之間的隔離提出了嚴格要求。 電路板的佈置應確保類比回路不會在數位元件附近交叉，反之亦然。 這只是將數位和類比信號劃分為不同的層，由其各自的接地層分隔。 雖然這新增了成本，但它確保了不同部分之間的隔離。

如果類比組件是從交流電源中選取的，則類比組件也可能需要專用的類比電源板。 在電力電子之外，這是一種罕見的情况，但從概念上講，只要你能分析返回路徑規劃，就很容易處理。 如果類比功率部分位於數位信號部分的上游並與數位信號部分分離，則單個功率平面可專用於兩個訊號。 如果正確規劃返回路徑，可以防止不同電源和接地部件之間的干擾。 對於帶有開關調節器的直流電源，直流部分的開關雜訊需要與交流部分分離，就像數位信號需要與類比信號分離一樣。