第4章 PCB布局

1第4章PCB布局合理的电路板层的设置、正确的元器件布局以及有效的滤波，可减少各单元电路间的相互干扰。大功率低速电路、模拟电路和数字电路应分块布局。在各分块内，以该分块内核心元件为中心进行布局，尽量缩短各元器件间的引线连接。4.1电路板层的规划在PCB的EMC设计中，首先涉及的便是层的设置。电路板的层数由电源、地的层数和信号层数组成。电源层、地层、信号层的相对位置以及电源、地平面的分割对电路板的EMC指标至关重要。4.1.1层数电路板的电源，接地的种类，信号的密度，电路的工作频率，有特殊布线要求的信号数量，以及综合电路板的性能指标要求与成本承受能力，确保电路板的层数。对于EMC指标要求苛刻而相对成本能承受的情况下，适当增加地是PCB的EMC设计的有效方法之一。1．电源和地的层数电源的层数由其种类数量决定，对于单一电源供电的PCB，一个电源平面足够了。对于多种电源，若互不交错，可采取电源层分割（保证相邻层的关键信号布线不跨分割区）。对于电源相交错（多种电源供电，且互相交错）的电路板，则必须考虑采用2个或以上的电源平面，每个电源平面的设置需要满足以下条件：单一电源或多种互不相交错的电源。相邻层的关键信号不跨分割区。地的层数除满足电源平面的要求外，还要考虑：元件面下面（第2层或倒数第2层）有相对完整的地平面。高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面。关键电源有一对应地平面相邻。2．信号层数在AltiumDesigner软件中，在网表调入完毕后，EDA软件能提供一布局、布线参数报告，由此参数可对信号所需的层数有个大致的判断；经验丰富的EDA工程师能根据以上参数再结合电路的工作频率、有特殊布线要求的信号数量以及电路板的性能指标要求与成本承受能力，最后来确定信号层数。信号的层数要取决于功能实现，从EMC的角度需要考虑关键信号网络（强辐射网络以及易受干扰的小、弱信号）的屏蔽或隔离措施。4.1.2电源层、地层、信号层设置随着高速电路的出现，PCB板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，因此就牵扯到多层PCB的设计。在多层板的设计中，对于叠层的安排尤其重要。一个好的设计方案可以大大减少EMI以及2串扰的影响。1．电源与地的设置电源与接地的正确设计，对于抑制电磁干扰来说至关重要。电源线和地线尽量宽以减小电阻。数字电路与模拟电路要分开接地。数字电路的地可构成闭环以提高抗噪声性能。在电路板层数允许的条件下，可设置电源层和地层，或者通过分割电源、分割地以获得较大的电源或地面积。电源、地存在的问题：电源、地平面存在自身的特殊性抗阻，电源平面的阻抗性比地平面的阻抗性高。为降低电源平面的抗阻，尽量将PCB的主电源平面与其对应的地平面相邻排布并要尽量靠近，利用两者的耦合电容，降低电源平面的阻抗。电源地平面构成的平面电容与PCB板上的退耦电容一起构成频响曲线，比较复杂的电源地电容，它的有效退耦频带比较宽（但存在谐振问题）。2．VCC、GND作为参考平面电源、地平面均能用做参考面，且有一定的屏蔽作用。但相对而言，电源平面具有较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电位势差。从屏蔽的角度来看，地平面一般都做了接地处理，并作为基本电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面。在选择参考平面时，应优选地平面。3．电源、地层、信号之间的相对位置对于电源、地的层数以及信号层数确定之后，它们之间的相对排布位置是每个EMC工程师都不能回避的问题：单板层的排布一般原则：元件面下面第二层为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面。所有信号层尽可能与地平面相邻。尽量避免两信号层直接相邻。主电源尽可能与其对应地相邻。兼顾层压结构对称。对于母板的层排布，鉴于其母板很难控制平行长距离布线，对于板级工作频率在50MHZ以上的，建议的排布原则：元件面、焊接面为完整的地平面（屏蔽）。无相邻平行布线层。所有信号尽可能与地平面相邻。关键信号与地层相邻，不跨分割区。具体对PCB的层设置时，要对以上原则灵活掌握，在领会以上原则的基础上根据实际单板的需求，灵活运用以确定层的排布，切记生搬硬套，如：是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割等情况，来确定层的排布。4.1.3双面板设计常见的设计是表层设计为电源+信号，底层为地+信号，电源和地可以采用交叉总线的结构，也可以采用大面积铺铜的形式，具体情况视实际走线空间而定。3还有一种较好的设计思路是：每一层面都按照单面板的设计要求来实现，然后进一步调整优化，比如加粗电源/地线，空余地方大面积铺铜等。但要注意的是：双面板和单面板一样，都不符合EMC的要求，因为虽然信号走线下方（背面）可能存在参考平面，但是由于板子太厚（大概62Mils），RF信号的回流很少通过低电感的参考平面，从而产生较强的电磁辐射。双面板结构如图4-1所示。图4-1双面板在手工布线时，为确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计准则：尽量采用地平面作为电流回路。将模拟地平面和数字地平面分开。如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直。模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。对于电流回路，需要注意如下基本事项：1)如果使用走线，应将其尽量加粗。PCB上的接地连接如要考虑走线时，设计应将走线尽量加粗，这是一个好的经验法则，但要知道，接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电源连接端最远的点。图4-2星形布线2）如果不能采用地平面，可以采用“星形”布线策略来处理电流回路。如图4-2所示。通过这种方法，地电流独立返回电源连接端。图中，可以注意到并4非所有器件都有自己的回路，其中模拟数字转换和驱动器两个芯片是共用回路的。但是需要遵循以下第三条和第四条的规则。3)数字电流不应流经模拟器件。数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现象是由地线的有效感抗和阻抗引起的。对于地平面或接地走线的感抗部分，计算公式为V=L*di/dt，其中V是产生的电压，L是地平面或接地走线的感抗，di是数字器件的电流变化，dt是持续时间。对地线阻抗部分的影响，其计算公式为V=RI，其中，V是产生的电压，R是地平面或接地走线的阻抗，I是由数字器件引起的电流变化。经过模拟器件的地平面或接地走线上的这些电压变化，将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地电压)。4)高速电流不应流经低速器件。与上述类似，高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。此干扰的计算公式和上述相同，对于地平面或接地走线的感抗，V=L*di/dt；对于地平面或接地走线的阻抗，V=RI。与数字电流一样，高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时，地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。5)应避免地环路。不管使用何种技术，接地回路必须设计为最小阻抗和容抗。不同逻辑电路要遵照所允许的环路面积，如表4-1所示。表4-1不同逻辑电路所允许的环路面积逻辑系列上升时间电流MA允许的面积（CM2）4MHz10MHz30MHz100MHz74HC620504518674LS65020187.22.474AC3.5805.52.20.750.2574F3805.52.20.750.2574AS1.412020.830.156)如使用地平面，分隔开地平面可能改善或降低电路性能，因此要谨慎使用。分开模拟和数字地平面的有效方法，如图4-3a所示。5a）地平面b）地平面分割图4-3地平面设置分隔开的地平面有时比连续的地平面有效，图4-3b）接地布线策略比图4-3a）的接地策略理想。精密模拟电路更靠近接插件，但是与数字网络和电源电路的开关电流隔离开了。这是分隔开接地回路的非常有效的方法。4.1.4四层板设计四层以上的PCB板，一般都能保证良好的EMC和其他电气性能，所以对于较高速的电路设计，一定要求采用多层板。四层板的设计大致有两种形式：一是均匀间距，另外一种是非均匀间距。对于均匀间距的设计来说，最大的优点在于电源和地之间的间距很小，可以大幅度降低电源的阻抗，提高电源的稳定性，但缺点在于两层信号层的阻抗较高，通常在105到130之间，而且由于信号层和参考平面之间的间距较大，增加了信号回流的面积，EMI较强。而采用了后一种非均匀间距的设计，就可以较好的进行阻抗控制，信号靠近参考平面也有利于提高信号的质量，减少EMI，唯一的缺点就是电源和地之间的间距太大，造成电源和地的耦合减弱，阻抗增加，但这一点可以通过增加旁路电容来改善。四层板结构如图4-4所示。图4-4四层板1）方案1：电源层数1，地层1，信号层2。一层为信号层，二层为地层，三层为电源层，四层为信号层。如图4-5所示。方案1的设置是我们进行四层板设置的主要方案，在元件的下面是地平面，关键信号布置在顶层。图4-5方案1布局2）方案2：电源层1，地层1，信号层2。一层为地层，二层为信号层，三层为信号层，四层为电源层。如图4-6所示。6方案2为了达到想要的屏蔽效果，有的设计者把电源和地放在顶层或者地层，做的如此的设置，可以起到屏蔽作用，但是由于实际的使用，存在下列缺陷：电源和地平面由于元件焊盘的影响，极不完整。由于参考面的不完整导致信号的阻抗不连续。由于电源、地相距过远，导致电源平面阻抗较大。图4-6方案2布局实际上，由于生产厂家大量采用表贴器件，对于器件越来越密的情况下，本方案的电源、地几乎无法作为完整的参考平面，导致预期的屏蔽效果很难实现，所以方案2的使用范围有限。但在个别单板上其又不失为最佳层设置方案。方案2适用于在整板无电源平面，只有GND平面。整板走线简单，但是作为接口滤波板布线的辐射区域必须关注。板的贴片元件比较少，多数是插件。分析可知：由于无电源平面，电源平面的阻抗问题就不存在了。作为接口滤波板，PCB布线的辐射区域必须关注，若在内层走线，表层为GND、PGND，其走线将会得到很好的屏蔽，而传输线的辐射得到了控制。由于贴片元件少（指单面布局），若表层做平面，内层走线，参考平面的完整性基本可以得到保证，而且第二层可以铺铜保证少量顶层走线的参考平面。通过以上的分析，我们可以选择方案2作为布局的最佳选择。3）方案3：电源层1，地层1，信号层2一层为信号层，二层为电源层，三层为地层，四层为信号层。如图4-7所示。方案3同方案1类似，适用于主要器件在BOTTOM布局或关键信号底层布线的情况；一般情况下不使用此方案。图4-7方案3布局4.1.5六层电路板设计7随着电路复杂度的增加，PCB板的设计也朝着高密度，高要求的方向发展。六层板的应用也越来越广泛，比如内存模块的PCB板，从PC100开始，就明确规定一定要使用至少6层板的结构。因为多层板无论在电气特性，对电磁辐射的抑制，还是在抵抗物理机械损伤的能力上都明显优于低层数的PCB板。典型的六层板结构有两种结构：一种是表层和底层没有参考平面相邻，阻抗控制上有一定的困难，必须要采用加粗线宽或通过增加沉铜的厚度来达到设计的阻抗要求。另一种是每个信号层都有较近的参考平面相邻，阻抗容易控制，同时对抑制串扰和电磁辐射也比较有利，电源和地的耦合则可以通过有效的旁路电容设计得到改善。六层板结构如图4-8所示。图4-8六层板1）方案1：电源层数1，地层1，信号层4。如图4-9所示。图4-9方案1布局从阻抗控制的观点来讲，这样的安排是合理的，但由于电源离地平面较远，对减小共模EMI的辐射效果不是很好。2）方案2：电源层数1，地层数1，信号层数4。如图4-10所示。8图4-10方案2布局3）方案3：电源层数1，地层数2，信号层数3。如图4-11所示。图4-11方案3布局无论从阻抗控制还是从降低EMI的角度来说，都能实现高速信号完整性设计所需要的环境。不足之处是层的堆叠不平衡，第三层是信号走线层，对应的第四层却是大面积覆铜的电源层，这在工艺制造上可能会有问题。在设计时可以将第三层覆铜来达到近似平衡的效果。4）方案4：电源层数1，地层数2，信号层数3。如图4-12所示。图4-12方案