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[转帖]高速PCB的叠层设计

已有 2442 次阅读| 2008-5-31 15:06 |个人分类:PCB板级

随着现在系统工作频率的提高，器件的切换时间越来越小，PCB的设计复杂度逐步提高，对于信号完整性的分析除了反射，串绕以及EMI等之外，合理的层叠设计和稳定可靠的电源也是重要的研究。PCB的层叠设计对整个系统的EMC性能起着重要的作用，良好的层叠可以有效的减小PCB回路的辐射效应。同样稳定可靠的电源供应可以为信号提供合理的返回路径，减小Loop面积。所以对于PI（Power Integrity）和SI的研究是紧密结合的。现在的高速数字系统设计中多层板和多个工作电源已经很常见了，这就涉及到多层板的板层结构的设计、介质的选择和电源(地)层的设计等。其中电源（地）层的设计是至关重要的。本文重点研究了电源(地)层的分割、数模设计和一些应用规则。
1、板层的结构
板层的结构是决定系统的EMC性能一个很重要的因素。一个好的板层结构对抑制PCB中辐射起到良好的效果。在现在常见的高速电路系统中大多采用多层板而不是单面板和双面板。在设计多面板时候需要注意以下方面。
1.一个信号层应该和一个敷铜层相邻；
2.信号层应该和临近的敷铜层紧密耦合（即信号层和临近敷铜层之间的介质厚度很小）；
3.电源敷铜和地敷铜应该紧密耦合；
4.系统中的高速信号应该在内层且在两个敷铜之间，这样两个敷铜可以为这些高速信号提供屏蔽作用且将这些信号的辐射限制在两个敷铜区域；
5.多个地敷铜层可以有效的减小PCB板的阻抗，减小共模EMI。
下面就多层板的板层结构设计做一简单的叙述。如表1—4所示
表1  4层板叠层
ABCD
Layer1SignalPowerGroundSignal/Power
Layer2PowerSignalSignal/PowerGround
Layer3GroundSignalSignal/PowerGround
Layer4SignalGroundSignalSignal/Power
表2  6层板叠层
ABCD
Layer1SignalSignalGroundSignal
Layer2PowerSignalSignalGround
Layer3SignalPowerPowerSignal
Layer4SignalGroundSignalPower
Layer5GroundSignalGroundGround
Layer6SignalSignalSignalSignal
表3  8层板叠层
ABC
Layer1SignalGroundSignal
Layer2PowerSignalGround
Layer3GroundGroundSignal
Layer4SignalSignalGround
Layer5SignalSignalPower
Layer6GroundPowerSignal
Layer7PowerSignalGround
Layer8SignalGroundSignal
表4  10层板叠层
ABC
Layer1SignalGroundSignal
Layer2GroundSignalPower
Layer3SignalSignalSignal
Layer4SignalGroundGround
Layer5PowerSignalSignal
Layer6GroundSignalSignal
Layer7SignalPowerGround
Layer8SignalSignalSignal
Layer9GroundSignalGround
Layer10SignalGroundSignal
在上面4个表中所示的板层结构安排，大多是不能完全符合上面的5个要点。这就需要根据实际的系统要求选择适当的板层结构。下面就现在常用的6层板结构做一说明。
A：第2和第5层为电源和地敷铜，由于电源敷铜阻抗高，对控制共模EMI辐射非常不利。不过，从信号的阻抗控制观点来看，这一方法却是非常正确的。因为这种板层设计中，信号走线层的Layer1和Layer3，Layer4和Layer6构成了两对较为合理的走线组合。
B：将电源和地分别放在第3和第4层，这一设计解决了电源敷铜阻抗问题，由于第1层和第6层的电磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。如果两个外层上的信号线数量最少，走线长度很短(短于信号最高谐波波长的1/20)，则这种设计可以解决差模EMI问题。将外层上的无元件和无走线区域敷铜填充并将敷铜区接地(每1/20波长为间隔)，则对差模EMI的抑制特别好。
C：从信号的质量角度考虑，很显然C例中的板层安排最为合理的。因为这样的结构对信号的高频回流的路径是比较理想的。但是这样安排有个比较突出的缺点：信号的走线层少。所以这样的系统适用于高性能的要求。
D：这可实现信号完整性设计所需要的环境。信号层与接地层相邻，电源层和接地层配对。显然，不足之处是层的结构不平衡（不平衡的敷铜可能会导致PCB板的翘曲变形）。解决问题的办法是将第3层所有的空白区域敷铜，敷铜后如果第3层的敷铜密度接近于电源层或接地层，这块板可以不严格地算作是结构平衡的电路板。敷铜区必须接电源或接地。
现在使用的8层板多数是为了提高6层板的信号质量而设计。由表3中知道8层板相比6层板并没有增加信号的走线层，而是多了两个敷铜层，所以可以优化系统的EMC性能。
2、板层的参数
板层的参数包括信号走线的线宽，线厚、信号层和敷铜层之间的介质以及介质的厚度等。板层参数的确定主要是考虑到信号的阻抗控制以及PCB板的制作工艺限制等因素。当然在GHz以上的频率还需要重点考虑传输线的集肤效应（Skin Effect）以及介质的损耗等方面。对于常用的介质FR-4而言，在≥1GHz时介质对信号有了明显的衰减。
信号线的阻抗主要受到多个参数变量的限制，可以用下面的公式简单的描述。

其中：Z。是信号线的阻抗；w：是走线的线宽；h：走线的线高；H：介质的厚度；ε：介质的介电常数。在这些参数变量中，H的影响最大。
通常可以使用POLAR CIT25软件计算传输线的阻抗。不同的传输线类型（微带线和带状线等）计算需要的参数也是有些差异。
3、电源(地)层的设计
在研究电源(地)层的设计之前有必要知道高频信号的回流问题。高频信号的回流的原则就是沿着阻抗最小的路径返回信号的驱动端。同时信号的回流在信号的波形切换时，回流的的方式是不同的。在PCB上传输线的信号回流总是沿着和该传输线最近的敷铜形成电流返回路径，只是在靠近信号的驱动端时有所区别。信号输出如果为逻辑高，那么信号的回流必须进入驱动端的电源管脚。相反如果输出为低，那么信号的回流必定是回到驱动端的地管脚。信号的传输线和返回路径之间需要有高的电容和低的电感。高的电容是可以比较好的将电场包含在内；较低的电感是为了减小穿过的磁通量。在研究了高频信号的回流的问题，下面将详细的研究电源的设计。
3.1、电源(地)层的分割
现在系统的工作电源多为多个电源，那么在实际的操作中就需要研究电源(地)层的分割(Slot)问题。由上面研究的信号回流问题知道，Slot使得信号的回流路径很难控制。如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线(小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。当然从另一个角度考虑，Slot有利于噪声的隔离，可以防止不同分割块(Island)之间的相互干扰。下面将详细研究电源(地)层的分割。
假设我们分割了Ground A和Ground B如图1所示，且使用传输线的模型来等效Slot。在信号线经过Ground A进入Ground B时，由于A和B之间没有连续的回流路径，信号传输线在Ground A上感应出流动的负电荷(负电荷的流动形成了信号在Ground A上的信号回流)，这些负电荷不能到达Ground B。那么就会在Ground B上极化出相应的正负电荷。在Ground B上感应出的负电荷和其上面的信号线构成了信号的回流，同时感应出的正电荷将和Ground A上一部分的负电荷沿着Slot的传输线模型在信号线和Slot的交叉点的两侧进行传输。如图2所示的电流源所示的电流通过Slot传输线向两个方向同时传输。那么Ground A剩下的负电荷将在Ground A上反射回到信号的驱动端。电路中的两个是传输线在两个敷铜上边缘形成的寄生电容。在Slot宽度上的传输线用电感模型代替。该模型的有效性已经得到证明[2]。由此可以知道信号传输的一些特性。


其中T是信号传输线的传输系数，R是信号的反射系数。X：是模式转换系数。是流向Slot的传输线模型的电压值和原本信号传输线上的电压值的比值。
在频率比较低或者是Lx和Cx可以忽略时，上面的公式可以简化为：

同时，在信号线穿过Slot的时候，能量的衰减也是很严重的。如图3给出了另一个仿真图。具体参数如下：Microstrip Line
Trace Width = 0.3 mm；
Trace Length = 8.2mm；
Gap Width = 0.6 mm；
Gap Length = 6.0 mm；
PCB Thickness = 0.13 mm,
FR-4；
Frequency：0 - 5GHz
The plot is generated at 5GHz。使用软件是Ansoft HFSS 8.0。
可以看到，因为没有导体提供回流路径，电流不得不跳过缝隙，过程中，损失了不少能量。这些损失的能量一部分是辐射到空中了，还有一些能量沿着缝隙传播，如果还有另外的Trace跨过这个缝隙，会有比较严重的Crosstalk。所以在板层设计中应该避免出现信号线跨过Slot的情况。否则将会产生非常严重的EMI。如果有的信号线必须经过跨构时候，行之有效的方法就是在跨构处放置一个旁路电容。
3.2、数模电源设计
数模电源设计的主要目的就是减小数字信号(数字电源)对模拟信号(模拟电源)的干扰。同时还需要注意两个方面。第一：尽可能减小电流环路的面积；第二：系统只采用一个参考面。如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比)。所以对于数模电源和地敷铜的连接采用单点连接。这样既可以构成一个参考地敷铜，还可以防止在数字模拟地之间形成小的回流环路(Ground Loop)。因为这样的回流环路是产生地弹噪声的一个因素。因为如果采用多点连接，噪声就可以通过多个连接点形成比较多的环路。单点的连接点应该在数模混合器件的下方。同时需要注意数模的连接方式，考虑到噪声的隔离，数模混合连接处使用磁珠连接，磁珠可以通直流隔交流。所以这样可以防止一些高频噪声进入模拟区域。因为数字器件有噪声容限，而模拟器件则对噪声非常敏感。下面结合一个实例的设计做一个叙述。
信号源的PCB板共6层。分为4个信号层和两个敷铜层（第二层和第五层）。工作电源有数字和模拟电源且都是5V。所以在表层设计出一个模拟的电源区域，同时在第二层(地敷铜)分割出一个模拟地区域，且都采用了单点连接。在连接处使用了磁珠和电容串连形成了一个滤波器，如图4所示。图中的器件是一个PLL的时钟产生器，是一个数模器件。为了给器件的地管脚和接地管脚提供接地的最小阻抗，在器件的下面直接做了一个DGND的敷铜，因为这个敷铜可以看作是电感较小的地连线。同时在DGND和DVDD之间放置了多个旁路电容。在数字和模拟电源(地)之间使用磁珠FB1、FB2和两个电容形成串连LC滤波器。这样就可以为该数模器件提供一个较为稳定可靠的电源。
3.3、20H规则
在电源层的设计中经常使用“20H”规则。含义就是地敷铜层相对于电源敷铜外延20H。其中H是电源和地敷铜之间的介质厚度。但是在实际的高速电路中，需要根据不同的情况来决定是否应该使用20H规则。
在PCB板层中只有两个敷铜层（Power 和Ground）结构时， 20H规则可以显著的减小对外辐射。但是对多个敷铜层叠结构时，20H规则的作用不是明显了；但是通过使用过孔可以显著的降低对外辐射。下面的图5和图6是针对两个敷铜和多个敷铜的层叠结构做的仿真。
通过上面的两个仿真图可以知道，20H规则适用于两个敷铜的Power-Ground结构；而过孔则对多个敷铜结构中的辐射起到了很好的抑制作用。当然过孔的使用也是需要详细的研究，过多的过孔会增加敷铜层的阻抗，破坏敷铜层的连续性。
结束语
板层设计对于系统的实现是至关重要的。在板层设计中电源的设计是主要的决定因素。文中的内容研究了电源的分割和数模混合电路的设计。当然在电源设计中，还需要注意不同性质的敷铜层之间不用有重叠的现象，因为敷铜层之间的寄生电容可以为不同性质的敷铜之间提供耦合途径，尤其是要避免模拟电源(地)和数字部分的重叠现象。所以电源的设计值得深入研究。