电源(地)层的分割数模设计和一些应用规则.doc

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 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Groun