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既然說到了參考平面的處理，其實應該屬于疊層設計的范疇了。PCB的疊層設計不是層的簡單堆疊，其中地層的安排是關鍵，它與信號的安排和走向有密切的關系。多層板的設計和普通的PCB相比，除了添加了必要的信號走線層之外，最重要的就是安排了獨立的電源和地層（鋪銅層）。在高速數字電路系統中，使用電源和地層來代替以前的電源和地總線的優點主要在于： 1）為數字信號的變換提供一個穩定的參考電壓。 2）均勻地將電源同時加在每個邏輯器件上。 3）有效地抑制信號之間的串擾。 其原因在于，使用大面積鋪銅作為電源和地層大大減小了電源和地的電阻，使得電源層上的電壓均勻平穩，而且可以保證每根信號線都有很近的地平面相對應，這同時也減小了信號線的特征阻抗，也可有效地減少串擾。所以，對于某些高端的高速電路設計，已經明確規定一定要使用6層（或以上的）的疊層方案，如Intel對PC133內存模塊PCB的要求。這主要就是考慮到多層板在電氣特性，以及對電磁輻射的抑制，甚至在抵抗物理機械損傷的能力上都明顯優于低層數的PCB。 一般情況下均按以下原則進行疊層設計：滿足信號的特征阻抗要求;滿足信號回路最小化原則；滿足最小化PCB內的信號干擾要求;滿足對稱原則。具體而言在設計多層板時需要注意以下幾個方面： 1）一個信號層應該和一個敷銅層相鄰，信號層和敷銅層要間隔放置，最好每個信號層都能和至少一個敷銅層緊鄰。信號層應該和臨近的敷銅層緊密耦合（即信號層和臨近敷銅層之間的介質厚度很小）。 2）電源敷銅和地敷銅應該緊密耦合并處于疊層中部。縮短電源和地層的距離，有利于電源的穩定和減少EMI。盡量避免將信號層夾在電源層與地層之間。電源平面與地平面的緊密相鄰好比形成一個平板電容，當兩平面靠的越近，則該電容值就越大。該電容的主要作用是為高頻噪聲（諸如開關噪聲等）提供一個低阻抗回流路徑，從而使接收器件的電源輸入擁有更小的紋波，增強接收器件本身的性能。 3）在高速的情況下，可以加入多余的地層來隔離信號層，多個地敷銅層可以有效地減小PCB的阻抗，減小共模EMI。但建議盡量不要多加電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。 4）系統中的高速信號應該在內層且在兩個敷銅之間，這樣兩個敷銅可以為這些高速信號提供屏蔽作用，并將這些信號的輻射限制在兩個敷銅區域。5）優先考慮高速信號、時鐘信號的傳輸線模型，為這些信號設計一個完整的參考平面，盡量避免跨平面分割區，以控制特性阻抗和保證信號回流路徑的完整。 6）兩信號層相鄰的情況。對于具有高速信號的板卡，理想的疊層是為每一個高速信號層都設計一個完整的參考平面，但在實際中我們總是需要在PCB層數和PCB成本上做一個權衡。在這種情況下不能避免有兩個信號層相鄰的現象。目前的做法是讓兩信號層間距加大和使兩層的走線盡量垂直，以避免層與層之間的信號串擾。 7）鋪銅層最好要成對設置，比如六層板的2、5層或者3、4層要一起鋪銅，這是考慮到工藝上平衡結構的要求，因為不平衡的鋪銅層可能會導致PCB的翹曲變形。 8）次表面（即緊靠表層的層）設計成地層，有利于減小EMI。 9）根據PCB器件密度和引腳密度估算出所需信號層數，確定總層數。 板層的結構是決定系統的EMC性能一個很重要的因素。一個好的板層結構對抑制PCB中輻射起到良好的效果。在現在常見的高速電路系統中大多采用多層板而不是單面板和雙面板。下面分別就四層板、六層板、八層板、十層板的板層結構設計做一簡單的說明。 四層板設計 表1 四層板疊層設計示例 
一般來說，對于較復雜的高速電路，最好不采用四層板，因為它存在若干不穩定因素，無論從物理上還是電氣特性上。如果一定要進行四層板設計，則可以考慮設置為：電源-信號-信號-地。還有一種更好的方案是：外面兩層均走地層，內部兩層走電源和信號線。這種方案是四層板設計的最佳疊層方案，對EMI有極好的抑制作用，同時對降低信號線阻抗也非常有利，但這樣布線空間較小，對于布線密度較大的板子顯得比較困難。 六層板設計現在很多電路板都采用六層板技術，比如內存模塊PCB的設計，大部分都采用六層板（高容量的內存模塊可能采用10層板）。最常規的六層板疊層是這樣安排的：信號-地-信號-信號-電源-信號。從阻抗控制的觀點來講，這樣安排是合理的，但由于電源離地平面較遠，對較小共模EMI的輻射效果不是很好。如果改將敷銅區放在3和4層，則又會造成較差的信號阻抗控制及較強的差模EMI等問題。還有一種添加地平面層的方案，布局為：信號-地-信號-電源-地-信號，這樣無論從阻抗控制還是從降低EMI的角度來說，都能實現高速信號完整性設計所需要的環境。但不足之處是層的堆疊不平衡，第3層是信號走線層，但對應的第4層卻是大面積敷銅的電源層，這在PCB工藝制造上可能會遇到一點問題，在設計時可以將第3層所有空白區域敷銅來達到近似平衡結構的效果。 表2 六層板疊層設計示例
下面就表2中所列四種6層板結構做一說明。 A：第2和第5層為電源和地敷銅，由于電源敷銅阻抗高，對控制共模EMI輻射非常不利。不過，從信號的阻抗控制觀點來看，這一方法卻是非常正確的。因為這種板層設計中，信號走線層的Layer1和Layer3，Layer4和Layer6構成了兩對較為合理的走線組合。 B：將電源和地分別放在第3和第4層，這一設計解決了電源敷銅阻抗問題，由于第1層和第6層的電磁屏蔽性能差，增加了差模EMI。如果兩個外層上的信號線數量最少，走線長度很短（短于信號最高諧波波長的1/20），則這種設計可以解決差模EMI問題。將外層上的無元件和無走線區域敷銅填充并將敷銅區接地（每1/20波長為間隔），則對差模EMI的抑制特別好。 C：從信號的質量角度考慮，很顯然這種板層安排最為合理的。因為這樣的結構對信號高頻回流的路徑是比較理想的。但是這樣安排有個比較突出的缺點，即信號的走線層少。所以這樣的系統適用于高性能的要求。 D：這可實現信號完整性設計所需要的環境。信號層與接地層相鄰，電源層和接地層配對。顯然，不足之處是層的結構不平衡（不平衡的敷銅可能會導致PCB的翹曲變形）。解決問題的辦法是將第3層所有的空白區域敷銅，敷銅后如果第3層的敷銅密度接近于電源層或接地層，這塊板可以不嚴格地算作是結構平衡的電路板。敷銅區必須接電源或接地。 八層板設計表3 八層板疊層示例
現在使用的八層板多數是為了提高六層板的信號質量而設計的。由表3中可以知道，八層板相比六層板并沒有增加信號的走線層，而是多了兩個敷銅層，所以可以優化系統的EMC性能。 十層板設計表4 十層板疊層示例
十層的PCB絕緣介質層很薄，信號層可以離地平面很近，這樣就非常好地控制了層間的阻抗變化，一般只要不出現嚴重的疊層設計錯誤，設計者都能較容易地完成高質量的高速電路板設計。如果走線非常復雜，需要更多的走線層，我們可以將疊層設置為：信號-信號-地-信號-信號-信號-信號-電源-信號-信號。當然這種情況不是最理想的，我們要求信號走線能在少量的層中布完，而是用多余的地層來隔離其他信號層，所以更通常的疊層方案是：信號-地-信號-信號-電源-地-信號-信號-地-信號。可以看到，這里使用了三層地平面層，而只用了一層電源（我們只考慮單電源的情況）。這是因為，雖然電源層在阻抗控制上的效果和地平面層一樣，但電源層上的電壓受干擾較大，存在較多的高階諧波，對外界的EMI也強，所以和信號走線層一樣，是最好被地平面屏蔽起來的。同時，如果使用多余的電源層來隔離，回路電流將不得不通過去耦電容來實現從地平面到電源平面的轉換。這樣，在去耦電容上過多的電壓降會產生不必要的噪聲。 其實在疊層設計時還是需要靈活運用上述原則的。有時并不能同時滿足所有原則或者將所有原則應用到最佳，這就需要根據實際的系統要求選擇確定適當的板層結構。來源：機械工業出版社E視界 |
