高速PCB设计的叠层问题VIP免费

随着高速电路的不断涌现，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，所以就牵涉到多层PCB的设计。在多层板的设计中，对于叠层的安排显得尤为重要。一个好的叠层设计方案将会大大减小EMI及串扰的影响，在下面的讨论中，我们将具体分析叠层设计如何影响高速电路的电气性能。一．多层板和铺铜层(Plane)多层板在设计中和普通的PCB板相比，除了添加了必要的信号走线层之外，最重要的是安排了独立的电源和地层(铺铜层)。在高速数字电路系统中，使用电源和地层来代替以前的电源和地总线的优点主要在于：1.为数字信号的变换提供一个稳定的参考电压。2.均匀地将电源同时加在每个逻辑器件上3.有效地抑制信号之间的串扰原因在于，使用大面积铺铜作为电源和地层大大减小了电源和地的电阻，使得电源层上的电压很均匀平稳，而且可以保证每根信号线都有很近的地平面相对应，这同时减小了信号线的特征阻抗，对有效地较少串扰也非常有利。所以，对于某些高端的高速电路设计，已经明确规定一定要使用6层(或以上的)的叠层方案，如Intel对PC133内存模块PCB板的要求。这主要就是考虑到多层板在电气特性，以及对电磁辐射的抑制，甚至在抵抗物理机械损伤的能力上都明显优于低层数的PCB板。如果从成本的因素考虑，也并不是层数越多价格越贵，因为PCB板的成本除了和层数有关外，还和单位面积走线的密度有关，在降低了层数后，走线的空间必然减小，从而增大了走线的密度，甚至不得不通过减小线宽，缩短间距来达到设计要求，往往这些造成的成本增加反而有可能会超过减少叠层而降低的成本，再加上电气性能的变差，这种做法经常会适得其反。所以对于设计者来说，一定要做到全方面的考虑。二．高频下地平面层对信号的影响如果我们将PCB的微带布线作为一个传输线模型来看，那么地平面层也可以看成是传输线的一部分，这里可以用“回路”的概念来代替“地”的概念，地铺铜层其实是信号线的回流通路。电源层和地层通过大量的去耦电容相连，在交流情况下，电源层和地层可以看成是等价的。在低频和高频下电流回路有什么不同呢?从下图中我们可以看出来，在低频下，电流是沿电阻最小的路径流回，而在高频情况下，电流是沿着电感最小的回路流回，也是阻抗最小的路径，表现为回路电流集中分布在信号走线的正下方。高频下，当一条导线直接在接地层上布置时，即使存在更短的回路，回路电流也要直接从始发信号路径下的布线层流回信号源，这条路径具有最小阻抗，即电感最小和电容最大。这种靠大电容耦合抑制电场，靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。下面这个公式反映了信号线下方回流路径上的电流密度随各种条件而变化的规律：从公式中可以得出结论：在电流回路上，离信号线越近的位置，电流的密度越大，这种情况下整个回路的面积最小，因而电感也最小。同时可以想象，信号线和回路如果离的很近，两者电流大小近似相等，方向相反，在外部空间产生的磁场可以相互抵消，因此对外界的EMI也很小。所以，在叠层设置时最好保证每个信号走线层都有很近的地平面层相对应。现在考虑地平面上的串扰问题，在高频数字电路中，造成串扰的主要原因是电感耦合的结果。从上面回路电流密度分布的公式看出，当几个信号线离的比较近的时候，相互的回路电流会产生交叠，这时候两者之间的磁场必然相互干扰，从而产生串扰噪声。串扰电压的大小和信号线之间的距离D，地平面的高度H以及系数K有关，见下图：式中K与信号的上升时间以及相互干扰的信号线的长度有关。对于叠层设置来说，无疑拉近信号层和地层的距离将会有效的减少地平面的串扰。在实际PCB布线时经常会遇到这样一个问题，就是在对电源和地层进行铺铜时，如果不注意，可能会在铺铜区里出现一个隔离的槽，这一情况往往是由于过孔过密，或者过孔的隔离区设计不合理造成的(如图)。后果是减慢了上升时间，增加了回路面积，从而导致电感的增大，容易产生不必要的串扰和EMI，我们要避免发生这种现象。因为回路电流绕道而增大的电感大致可以表示为：L=5Dln(D/W)D代表信号线到断槽最近端的垂直距离，W是指走线的线宽。三．几种典型的叠层方案及分析...