多层 PCB 电路板设计方法

在设计多层 PCB 电路板之前，设计者需要首先根据电路的规模 电路板的尺寸 电磁兼容（EMC） 电路的规模、电路板的尺寸电磁兼容（ 电路的规模 电路板的尺寸和电磁兼容 ） 的要求来确定所采用的电路板结构，也就是决定采用 4 层，6 层，还是更多层数的电路板。确定层数的要求之后，再确定内电层的放置位置以及如何在这些层上分布不同的信号。这就是多层 PCB 层叠结构的 选择问题。层叠结构是影响 PCB 板 EMC 性能的一个重要因素 层叠结构是影响 性能的一个重要因素，也是抑制电磁干扰的一个重要手段 抑制电磁干扰的一个重要手段。抑制电磁干扰的一个重要手段 本节将介绍多层 PCB 板层叠结构的相关内容。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1.层数的选择和叠加原则

确定多层 PCB 板的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说，层数越多越利于布线 但是制层数越多越利于布线，但是制层数越多越利于布线 板成本和难度也会随之增加。对于生产厂家来说，层叠结构对称与否 PCB 板制造时需要关注的焦 层叠结构对称与否是 板成本和难度也会随之增加 层叠结构对称与否 点，所以层数的选择需要考虑各方面的需求，以达到最佳的平衡。

对于有经验的设计人员来说，在完成元器件的预布局后，会对 PCB 的布线瓶颈处进行重点分析 结 完成元器件的预布局后的布线瓶颈处进行重点分析 颈处进行重点分析。结 完成元器件的预布局后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 有特殊布线要求的信号线如差分线 合其他 EDA 工具分析电路板的布线密度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、来确定信号层的层数； 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。来确定信号层的层数 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 这样，整个电路板的板层数目就基本确定了。

确定了电路板的层数后，接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。在这一步骤中，需要考虑的因素主要有以下两点：

（1）特殊信号层的分布

（2）电源层和地层的分布

如果电路板的层数越多，特殊信号层、地层和电源层的排列组合的种类也就越多，如何来确定哪种组合方式最优也越困难，但总的原则有以下几条：

地层，利用内电层的大铜膜来为信号层提供屏蔽:

（1）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。

（2）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）内部电源层和地层之间应该紧密耦合，也就是说， 小的值，以提高电源层和地层之间的电容，增大谐振频率。小的值，以提高电源层和地层之间的电容，增大谐振频率。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）兼顾层结构的对称性。

2.常用的层叠结构

下面通过 4 层板的例子来说明如何优选各种层叠结构的排列组合方式：

对于常用的 4 层板来说，有以下几种层叠方式（从顶层到底层）：

（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），POWER（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。

（2）Siganl_1（Top），POWER（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。

（3）POWER（Top），Siganl_1（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。

显然，方案 3 电源层和地层缺乏有效的耦合，不应该被采用。

那么方案 1 和方案 2 应该如何进行选择呢？

一般情况下，设计人员都会选择方案 1 作为 4 层板的结构。原因并非方案 2 不可被采用，而是一般的 PCB 板都只在顶层放置元器件，所以采用方案 1 较为 妥当。但是当在顶层和底层都需要放置元器件，而且内部电源层和地层之间的介质厚度较大，耦合不佳时，就需要考虑哪一层布置的信号线较少。对于方案 1 而言，底层的信号线较少，可以采用大面积 的铜膜来与 POWER 层耦合；反之，如果元器件主要布置在底层，则应该选用方案 2 来制板。

在完成 4 层板的层叠结构分析后， 下面通过一个 6 层板组合方式的例子来说明 6 层板层叠结构的排列 组合方式和优选方法：

（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），Siganl_3（Inner_3），POWER （In）。 方案 1 采用了 4 层信号层和 2 层内部电源/接地层，具有较多的信号层，有利于元器件之间的布线工作，但是该方案的缺陷也较为明显，表现为以下两方面：

① 电源层和地线层分隔较远，没有充分耦合

② 信号层 Siganl_2（Inner_2）和 Siganl_3（Inner_3）直接相邻，信号隔离性不好，容易发生串扰

（2）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），POWER（Inner_2），GND（Inner_3），Siganl_3 （In）。

方案 2 相对于方案 1， 电源层和地线层有了充分的耦合， 比方案 1 有一定的优势， 但是 Siganl_1 （Top） 和 Siganl_2（Inner_1）以及 Siganl_3（Inner_4）和 Siganl_4（Bottom）信号层直接相邻，信号隔 离不好，容易发生串扰的问题并没有得到解决。

），GND（Inner_1）， ），Siganl_2（Inner_2）， ），POWER（Inner_3），），GND （3）Siganl_1（Top）， ） （ ）， （ ）， （ ）， （ ）， （Inner_）。）。

相对于方案 1 和方案 2，方案 3 减少了一个信号层，多了一个内电层，虽然可供布线的层面减少了，但是该方案解决了方案 1 和方案 2 共有的缺陷：

① 电源层和地线层紧密耦合

② 每个信号层都与内电层直接相邻，与其他信号层均有有效的隔离，不易发生串扰

③ Siganl_2（Inner_2）和两个内电层 GND（Inner_1）和 POWER（Inner_3）相邻，可以用来传 （ ） （ ） （ ）相邻，两个内电层可以有效地屏蔽外界对 Siganl_2 Inner_2） 输高速信号。 高速信号。 两个内电层可以有效地屏蔽外界对（ ） 层的干扰和 Siganl_2 Inner_2） （ ） 对外界的干扰。

综合各个方面，方案 3 显然是最优化的一种，同时，方案 3 也是 6 层板常用的层叠结构。

通过对以上两个例子的分析，相信读者已经对层叠结构有了一定的认识，但是在有些时候，某一个方案并不能满足所有的要求，这就需要考虑各项设计原则的优先级问题。遗憾的是由于电路板的板层设 计和实际电路的特点密切相关，不同电路的抗干扰性能和设计侧重点各有所不同，所以事实上这些原则并没有确定的优先级可供参考。但可以确定的是，设计原则 2（内部电源层和地层之间应该紧密耦 设计原则 （内部电源层和地层之间应该紧密耦如果电路中需要传输高速信号， 合）在设计时需要首先得到满足，另外如果电路中需要传输高速信号，那么设计原则 3（电路中的高在设计时需要首先得到满足， 如果电路中需要传输高速信号 （ 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）就必须得到满足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）就必须得到满足。

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