PCB设计中的层叠设计：从电源层到信号层的布局原则

PCB设计中的层叠设计：从电源层到信号层的布局原则

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/LLS206PCB/article/details/144487257

在PCB设计过程中，层叠设计是影响电磁兼容性（EMC）的关键因素之一。合理的层叠布局能够有效降低信号干扰，提高电路性能。本文将详细介绍PCB中电源层（POWER）、地层（GND）和信号层的设计原则和最佳实践。

层叠设计概述

在PCB设计过程中，首先影响EMC的设计便是层叠的设计。正常情况下，PCB层叠由POWER层（电源）、GND层（地）、信号层组成。POWER层、GND层、信号层的排布顺序以及平面分割，都是影响EMC指标的重要因素。

POWER与GND层设计

POWER层设计要点

PCB设计过程中，电源层的数量一般由电源数量、电源交错程度、电源布线通道大小、电源电流大小以及发热情况来决定。在单一电源的设计中，一个电源层进行单一电源铺铜即可；若是多个电源的设计（在不交错、电源通道满足的情况下），可以进行平面分割进行电源设计（相邻层若有关键信号，设计时不可出现跨分割）；若是多个电源的设计（交错复杂、载流散热不达标、单一平面层通道瓶颈等情况下），则需要两个或两个以上的电源层进行设计。

POWER层设计需要满足的条件：

1. 单一电源或多种电源设计不交错
2. 关键信号不可出现跨分割现象
3. 满足电源设计需求的载流、散热等问题

GND层设计要点

GND层设计需要满足以下条件：

1. 器件层下面（正数第二及倒数第二层）需要有完整的GND参考平面，例如六层板，即为第二层和第五层需要为GND层。
2. 关键信号（关键的信号层）至少有一面参考GND层，条件允许最好上下参考平面均为GND层。
3. 关键电源至少有一相邻层为GND。
4. 若有多种GND，关键信号不可出现跨分割现象

POWER与GND层的平面阻抗问题

1. POWER与GND层均存在自身的特性阻抗，但是POWER层的阻抗会比GND层的高。
2. 为降低POWER层的特性阻抗，需将关键电源、主电源与其GND层（地回流平面）相邻排布，利用POWER与GND层之间的耦合电容特性，降低其POWER层的特性阻抗。

POWER与GND作为参考平面的区别

POWER与GND层均能作为参考平面（在前面已做过讲解：PCB设计小知识（二）），且都具有一定的屏蔽作用，但相对而言，电源层自身存在较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电位势差：从屏蔽效果的角度考虑，GND层一般均做了接地处理，并作为基准电平参考点，其屏蔽效果是远远优于POWER层，所以在选择参考层的时候，优先选择GND层。

信号层设计

PCB设计过程中，信号层的数量一般由单板器件密度、布线空间、特殊处理的信号布线数量、工作频率、传输速率、性能与指标、以及成本来决定；信号层的数量主要取决于功能的实现，从EMC角度考虑，需要关注关键信号（强辐射信号；易受干扰的弱、小信号）的屏蔽或隔离措施。

层叠排布原则

在确认好所需的POWER层、GND层、信号层后，它们之间的排布是每一个PCB工程师需要面对的问题。层叠的排布顺序有以下原则：

1. 器件层下面（正数第二及倒数第二层）需要有完整的GND参考平面，其目的是给器件提供屏蔽层，以及给器件层的布线提供更好的参考平面。
2. 所有信号尽可能与GND层相邻，关键电源至少有一相邻层为GND。
3. 关键电源至少有一相邻层为GND，减短回流路径，且降低POWER层特性阻抗。
4. 兼顾层压结构对称

4层板层叠排布方案

优选方案1

此为4层板常规主流层叠设计方案，TOP层（顶层器件层）参考层为GND，关键信号优先走TOP层，但对于层厚有以下建议：

1. 满足关键信号的阻抗控制
2. 板芯（板芯位于GND层与POWER层之间）不宜过厚，使其降低电源平面与地平面的分布阻抗，保证电源平面的去耦效果。

方案2

此方案为了达到屏蔽效果，会引起以下几点缺陷：

1. GND层距离POWER层过远，导致电源平面阻抗较大
2. 平面层位于器件层，器件焊盘等因素导致平面不完整
3. 由于参考平面不完整导致阻抗不连续

此方案的GND层与POWER层平面不完整，很难达到预期的屏蔽效果，方案2的使用范围有限，但是在个别单板的特殊情况下，方案2却是最佳的层叠设计选择。

方案2在某款接口滤波板上使用，案例特点：

1. 整板无电源，只有GND与PGND，二者各占一个平面层
2. 整板布线简易，作为接口滤波板，最需要关注的是布线辐射
3. 贴片器件少，基本为插件器件

分析特点：

1. 整板无电源，就不存在电源平面阻抗问题
2. 由于贴片器件少，可以采取单面布局；表层为参考层，若是表层有少量布线，由于布线简易，相邻的内层可以大面积铺地铜，让器件有参考相对完整的屏蔽层，以及保证了布线的完整参考层。
3. 作为接口滤波板，PCB布线辐射必须关注，若是如上所述在内层布线，且表层均为GND，走线就能得到很好的屏蔽效果，布线的辐射也能得到很好的控制。

方案3

此方案与方案1类似，适用于关键器件或关键布线在BOTTOM层。