在多層電路板布線(xiàn)期間更改PCB參考平面

2021-04-17

在多層電路板布線(xiàn)期間更改PCB參考平面

如果您是一名新設計師，并且看了一眼常見(jiàn)電子產(chǎn)品中的某些板，您可能甚至不會(huì )意識到它們是多層板，除非您確切知道要看的位置。事實(shí)是，更復雜的設備根本不允許將每條跡線(xiàn)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，您的路由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。如果在設計過(guò)程中使用正確的路由工具并實(shí)施正確的策略，則無(wú)需對重要的信號完整性問(wèn)題進(jìn)行困難的修復。

層堆棧中各層之間的路由

要確保多層PCB能夠按預期工作，就需要設計正確的疊層。疊層將對信號完整性，特別是板內的EMI及其對外部輻射EMI的敏感性產(chǎn)生重要影響。這也確定了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將需要相互補充。正確的堆疊可以確保您的路由策略將消除或最小化信號完整性問(wèn)題。正確的起點(diǎn)是考慮信號層的接地平面布置。每個(gè)信號層應直接放置在接地平面附近。只要將內部信號層中的走線(xiàn)路由到表面層上的組件，就必須在表面信號層和內部信號層之間放置接地層。這樣可確保在兩層中緊密耦合到PCB參考平面。

在上述布置中，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)通孔垂直穿過(guò)接地層時(shí)，它將保持耦合到接地平面，并且其返回信號將在接地平面中感應。這樣可確保整個(gè)路徑之間緊密耦合，并最大程度地減小電路的環(huán)路電感。這也可將走線(xiàn)的輻射EMI降低約10 dB。

同樣的想法適用于跨電源平面的過(guò)孔布線(xiàn)。雖然，將電源平面放置在其接地平面附近是個(gè)好主意。這樣可以最大程度地減小環(huán)路電感，從而最大程度地降低對EMI的敏感性以及在接地層和電源層中感應出的任何電流。這也增加了平面之間的電容，為電源平面中的任何高頻傳導EMI提供了低阻抗的返回路徑。

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。下面顯示了這種情況，其中信號從內層路由到表層（如紅色箭頭所示）。

在此，信號保持與內部信號層和表面層中的接地層的緊密耦合。但是，在從內部到表面的過(guò)渡過(guò)程中，存在一個(gè)信號未耦合到任何區域的區域。您可以在兩個(gè)接地層之間放置一個(gè)過(guò)孔，以在過(guò)渡期間創(chuàng )建返回路徑（請參見(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，您會(huì )突然遇到兩個(gè)問(wèn)題。首先，將在最近的接地元件中以最低的電抗形成返回路徑。這通常是一個(gè)旁路/去耦電容器，但也可以是連接到接地層的過(guò)孔。當過(guò)孔強烈輻射到過(guò)渡區域中時(shí)，這會(huì )在電路中引起很大的環(huán)路電感。

其次，較大的環(huán)路面積會(huì )增加對外部輻射EMI的敏感性以及通過(guò)互感引起的串擾。如果在兩個(gè)接地層之間只有一條隔離的路由，則只要使用低電平信號，就不必擔心EMI或串擾問(wèn)題。如果在單個(gè)區域中進(jìn)行多個(gè)這些轉換，則可能需要在平面之間放置多個(gè)過(guò)孔，或者改善堆疊和布線(xiàn)策略。

不要忘記您的路由策略

如果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，則可以消除在表面和內部信號層之間轉換時(shí)通過(guò)多個(gè)平面進(jìn)行布線(xiàn)的需要。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)器將使您可以將特定的層轉換定義為布線(xiàn)策略的一部分，從而理想地避免了需要通過(guò)多個(gè)參考平面進(jìn)行布線(xiàn)的情況。

在設計BGA扇出策略時(shí)，需要考慮垂直布線(xiàn)和堆疊之間關(guān)系的一個(gè)方面。對于低引腳數的組件，將引腳沿著(zhù)組件的邊緣排列成四行（請參見(jiàn)下圖），簡(jiǎn)單的狗骨頭扇出策略就足夠了，并且只需要穿過(guò)單個(gè)接地層即可。當使用更高引腳數的封裝時(shí)，您可能別無(wú)選擇，只能對單個(gè)信號網(wǎng)絡(luò )使用兩個(gè)或多個(gè)接地層。確保查閱制造商的數據表并保持正確的接地，以防止信號完整性問(wèn)題。

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