关于PCB设计，只懂多层板选择原则，却不知叠层设计可不行！

PCB层叠结构设计对产品成本、产品EMC的好坏都有直接的影响。板层的增加，方便了布线，但也增加了成本。设计的时候需要考虑各方面的需求，以达到最佳的平衡。

图1

在完成元器件的预布局后，一般需要对PCB的布线瓶颈处进行重点分析。

结合其他EDA工具分析电路板的布线密度；再综合有特殊布线要求的信号线如差分线、敏感信号线等的数量和种类来确定信号层的层数；然后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的数目。

层叠选择因素考虑

电路板的层数越多，特殊信号层、地层和电源层的排列组合的种类也就越多。

• 信号层应该与一个内电层相邻（内部电源/地层），利用内电层的大铜膜来为信号层提供屏蔽。
• 内部电源层和地层之间应该紧密耦合，也就是说，内部电源层和地层之间的介质厚度应该取较小的值。
• 电路中的高速信号传输层应该是信号中间层，并且夹在两个内电层之间。这样两个内电层的铜膜可以为高速信号传输提供电磁屏蔽，同时也能有效地将高速信号的辐射限制在两个内电层之间，不对外造成干扰。
• 避免两个信号层直接相邻。相邻的信号层之间容易引入串扰，从而导致电路功能失效。在两信号层之间加入地平面可以有效地避免串扰。
• 多个接地的内电层可以有效地降低接地阻抗。例如，A信号层和B信号层采用各自单独的地平面，可以有效地降低共模干扰。

• 兼顾层结构的对称性。

表1

常见的叠层设计

1）四层板叠层结构

图2

2）六层板叠层结构

表2

3）八层板叠层结构

表3

表4

一到八层电路板的叠层设计方式

单面板和双面板的叠层

对于双层板来说，由于板层数量少，已经不存在叠层的问题。 控制EMI辐射主要从布线和布局来考虑；

单层板和双层板的电磁兼容问题越来越突出。造成这种现象的主要原因就是信号回路面积过大，不仅产生了较强的电磁辐射，而且使电路对外界干扰敏感。要改善线路的电磁兼容性，最简单的方法是减小关键信号的回路面积。

关键信号：从电磁兼容的角度考虑，关键信号主要指产生较强辐射的信号和对外界敏感的信号。能够产生较强辐射的信号一般是周期性信号，如时钟或地址的低位信号。对干扰敏感的信号是指那些电平较低的模拟信号。

单、双层板通常使用在低于10KHz的低频模拟设计中：

• 在同一层的电源线以辐射状走线，并最小化线的长度总和；

• 走电源、地线时，相互靠近；在关键信号线边上布一条地线，这条地线应尽量靠近信号线。这样就形成了较小的回路面积，减小差模辐射对外界干扰的敏感度。当信号线的旁边加一条地线后，就形成了一个面积最小的回路，信号电流肯定会取道这个回路，而不是其它地线路径。

• 如果是双层线路板，可以在线路板的另一面，紧靠近信号线的下面，沿着信号线布地条地线，一线尽量宽些。这样形成的回路面积等于PCB线路板的厚度乘以信号线的长度。

四层板的叠层

推荐叠层方式：

• SIG－GND（PWR）－PWR（GND）－SIG

• GND－SIG（PWR）－SIG（PWR）－GND

对于以上两种叠层设计，潜在的问题是对于传统的1.6mm（62mil）板厚， 层间距将会变得很大，不仅不利于控制阻抗，也不利于层间耦合及屏蔽； 特别是电源地层之间间距很大，降低了板电容，不利于滤除噪声。

对于第一种方案，通常应用于板上芯片较多的情况。这种方案可得到较好的SI性能，对于EMI性能来说并不是很好，主要通过走线及其他细节来控制。注意：地层放在信号最密集的信号层的相连层，有利于吸收和抑制辐射；增大板面积，体现20H规则。

六层板的叠层

对于芯片密度较大、时钟频率较高的设计应考虑六层板的设计。

推荐叠层方式：

SIG－GND－SIG－PWR－GND－SIG；

这种叠层方案可得到较好的信号完整性，信号层与接地层相邻，电源层和接地层配对，每个走线层的阻抗都可较好控制，且两个地层都是能良好的吸收磁力线，在电源、地层完整的情况下能为每个信号层都提供较好的回流路径。

GND－SIG－GND－PWR－SIG－GND；

该种方案只适用于器件密度不是很高的情况，这种叠层具有上面叠层的所有优点，并且这样顶层和底层的地平面比较完整，能作为一个较好的屏蔽层来使用。

需要注意的是电源层要靠近非主元件面的那一层，因为底层的平面会更完整。因此，EMI性能要比第一种方案好。

小结：对于六层板的方案，电源层与地层之间的间距应尽量减小，以获得好的电源、地耦合。但62mil的板厚，层间距虽然得到减小，还是不容易把主电源与地层之间的间距控制得很小。对比第一种方案与第二种方案，第二种方案成本要大大增加。因此，我们叠层时通常选择第一种方案。设计时，遵循20H规则和镜像层规则设计。

八层板的叠层

八层板通常使用下面三种叠层方式：

1）由于电磁吸收能力差且电源阻抗较大，导致这不是一种好的叠层方式，它的结构如下：

• Signal 1 元件面、微带走线层

• Signal 2 内部微带走线层，较好的走线层（X方向）

• Ground

• Signal 3 带状线走线层，较好的走线层（Y方向）

• Signal 4 带状线走线层

• Power

• Signal 5 内部微带走线层

• Signal 6 微带走线层

2）是第三种叠层方式的变种，由于增加了参考层，具有较好的EMI性能，各信号层的特性阻抗可以很好的控制。

• Signal 1 元件面、微带走线层，好的走线层

• Ground 地层，较好的电磁波吸收能力

• Signal 2 带状线走线层，好的走线层

• Power 电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收

• Ground 地层

• Signal 3 带状线走线层，好的走线层

• Power 地层，具有较大的电源阻抗

• Signal 4 微带走线层，好的走线层

3）最佳叠层方式，由于多层地参考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。

• Signal 1 元件面、微带走线层，好的走线层

• Ground 地层，较好的电磁波吸收能力

• Signal 2 带状线走线层，好的走线层

• Power 电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收

• Ground 地层

• Signal 3 带状线走线层，好的走线层

• Ground 地层，较好的电磁波吸收能力

• Signal 4 微带走线层，好的走线层

对于如何选择设计用几层板和用什么方式的叠层，要根据电路板上信号网络的数量、器件密度、PIN密度、信号的频率、板的大小等许多因素。对于这些因素我们要综合考虑。

对于信号网络的数量越多，器件密度越大，PIN密度越大，信号的频率越高的设计应尽量采用多层板设计。为得到好的EMI性能，最好保证每个信号层都有自己的参考层。

在设计多层PCB电路板之前，工程师们首先要根据单路规模、电路板尺寸以及电磁兼容性（EMC）的需求来确定电路板的层叠结构。

在确定层数之后再确定内电层放置位置以及信号的分布，所以层叠结构的设计尤为重要。

END

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