在多層板布線(xiàn)期間更改 PCB 參考平面

2021-06-16

在多層板布線(xiàn)期間更改 PCB 參考平面

用于到達內部 PCB 層的帶有圓環(huán)的通孔

如果您是一名新設計師，并且您查看了常見(jiàn)電子產(chǎn)品中的一些電路板，您甚至可能不會(huì )意識到它們是多層電路板，除非您確切地知道該看哪里。事實(shí)是，更復雜的設備根本不允許將每條跡線(xiàn)都放置在表面層上，因此必須在內部層內路由信號以進(jìn)行所需的連接。

對于涉及多個(gè)信號、電源和接地層的復雜電路板，您的布線(xiàn)策略對于確保信號完整性和與參考平面的緊密耦合至關(guān)重要。如果您在設計過(guò)程中使用了正確的布線(xiàn)工具并實(shí)施了正確的策略，您就不需要對重要的信號完整性問(wèn)題進(jìn)行困難的修復。

在層堆棧中的層之間路由

確保您的多層 PCB 按預期工作需要設計正確的層堆棧。您的層堆棧將對信號完整性產(chǎn)生重要影響，尤其是對電路板內的 EMI 及其對外部輻射 EMI 的敏感性。這也決定了電路板在制造后是否可以通過(guò) EMC 檢查。

您的路由策略和層堆棧需要相互補充。正確的堆疊可以確保您的路由策略消除或最大限度地減少信號完整性問(wèn)題。正確的起點(diǎn)是考慮相對于信號層的地平面布置。每個(gè)信號層都應直接與接地層相鄰放置。只要內部信號層中的走線(xiàn)連接到表面層上的元件，在表面信號層和內部信號層之間放置接地層就很重要。這確保了兩層中與 PCB 參考平面的緊密耦合。

在上述安排中，如果僅通過(guò)單個(gè)接地層路由信號，則可以避免許多信號問(wèn)題。當信號通過(guò)過(guò)孔垂直穿過(guò)接地層時(shí)，它將保持耦合到接地層，其返回信號將在接地層中感應。這確保了整個(gè)路由的緊密耦合，并最大限度地減少了電路的環(huán)路電感。這也將來(lái)自走線(xiàn)的輻射 EMI 降低了約 10 dB。

相同的想法適用于通過(guò)電源平面上的過(guò)孔布線(xiàn)。盡管如此，將電源平面放置在其接地平面附近是個(gè)好主意。這最大限度地減少了環(huán)路電感，從而最大限度地減少了對 EMI 和接地層和電源層中感應的任何電流的敏感性。這也會(huì )增加平面之間的電容，為電源平面中的任何高頻傳導 EMI 提供低阻抗返回路徑。

通過(guò)多個(gè) PCB 參考平面布線(xiàn)

通過(guò)層堆棧中的兩個(gè)或多個(gè)接地層布線(xiàn)時(shí)，接地情況變得更加復雜。這種情況如下所示，其中信號從內部層路由到表面層（如紅色箭頭所示）。

在這里，信號與內部信號層和表層中的接地層保持緊密耦合。然而，在從內部到表面的過(guò)渡過(guò)程中，存在一個(gè)信號不耦合到任何東西的區域。您可以在兩個(gè)地平面之間放置一個(gè)過(guò)孔，以在過(guò)渡期間創(chuàng )建返回路徑（參見(jiàn)下面的藍色箭頭）。

在 PCB 參考平面之間放置接地過(guò)孔

如果沒(méi)有返回路徑，你會(huì )突然遇到兩個(gè)問(wèn)題。首先，返回路徑將在最近的具有最低電抗的接地元件中形成。這通常是一個(gè)旁路/去耦電容器，但它也可以是連接到接地層的過(guò)孔。由于通孔強烈輻射到過(guò)渡區，這會(huì )導致電路中產(chǎn)生非常大的環(huán)路電感。

其次，較大的環(huán)路面積增加了對外部輻射 EMI 和互感串擾的敏感性。如果您在兩個(gè)接地層之間有一條單獨的隔離路徑，只要您處理的是低電平信號，您就不必擔心 EMI 或串擾問(wèn)題。如果您在一個(gè)區域內進(jìn)行多個(gè)這樣的轉換，您可能需要在平面之間放置多個(gè)過(guò)孔，或者改進(jìn)您的疊層和布線(xiàn)策略。

不要忘記你的路由策略

如果您在設計疊層之前為每個(gè)信號網(wǎng)絡(luò )設計正確的布線(xiàn)策略，則在表面和內部信號層之間轉換時(shí)，您就無(wú)需通過(guò)多個(gè)平面布線(xiàn)。使用自動(dòng)布線(xiàn)器時(shí)要小心；高質(zhì)量的自動(dòng)布線(xiàn)器將讓您定義特定的層轉換作為布線(xiàn)策略的一部分，理想情況下可以防止需要通過(guò)多個(gè)參考平面進(jìn)行布線(xiàn)。

在設計BGA 扇出策略時(shí)，您需要考慮垂直布線(xiàn)和疊層之間的關(guān)系。對于低引腳數組件，引腳沿組件邊緣排列成四行（見(jiàn)下圖），一個(gè)簡(jiǎn)單的狗骨扇出策略就足夠了，只需要穿過(guò)一個(gè)接地層。使用更高引腳數的封裝時(shí)，您可能別無(wú)選擇，只能為單個(gè)信號網(wǎng)絡(luò )使用兩個(gè)或更多接地層。請務(wù)必查閱制造商的數據表并保持正確接地以防止出現信號完整性問(wèn)題。