多层PCB电路板设计方法（2） 电路板设计, 多层板, 信号线, 电源, 隔离

苹果也疯狂

11.4 内电层设计

多层板相对于普通双层板和单层板的一个非常重要的优势就是信号线和电源可以分布在不同的板层上，提高信号的隔离程度和抗干扰性能。内电层为一铜膜层，该铜膜被分割为几个相互隔离的区域，每个区域的铜膜通过过孔与特定的电源或地线相连，从而简化电源和地网络的走线，同时可以有效减小电源内阻。

11.4.1 内电层设计相关设置

内电层通常为整片铜膜，与该铜膜具有相同网络名称的焊盘在通过内电层的时候系统会自动将其与铜膜连接起来。焊盘/过孔与内电层的连接形式以及铜膜和其他不属于该网络的焊盘的安全间距都可以在Power Plane Clearance选项中设置。选择【Design】/【Rules…】命令，单击Manufacturing选项，其中的Power Plane Clearance和Power Plane Connect Style选项与内电层相关，其内容介绍如下。

1．Power Plane Clearance

该规则用于设置内电层安全间距，主要指与该内电层没有网络连接的焊盘和过孔与该内电层的安全间距，如图11-11所示。在制造的时候，与该内电层没有网络连接的焊盘在通过内电层时其周围的铜膜就会被腐蚀掉，腐蚀的圆环的尺寸即为该约束中设置的数值。




2．Power Plane Connect Style

该规则用于设置焊盘与内电层的形式。主要指与该内电层有网络连接的焊盘和过孔与该内电层连接时的形式。如图11-12所示。




单击Properties（属性）按钮，弹出其规则设置对话框，如图11-13所示。对话框左侧为规则的适用范围，在右侧的Rule Attributes下拉列表中可以选择连接方式：Relief Connect、Direct Connect和No connect。Direct Connect即直接连接，焊盘在通过内电层的时候不把周围的铜膜腐蚀掉，焊盘和内电层铜膜直接连接；No connect指没有连接，即与该铜膜网络同名的焊盘不会被连接到内电层；设计人员一般采用系统默认的Relief Connect连接形式，该规则的设置对话框如图11-13所示。




这种焊盘连接形式通过导体扩展和绝缘间隙与内电层保持连接，其中在Conductor Width选项中设置导体出口的宽度；Conductors选项中选择导体出口的数目，可以选择2个或4个；Expansion选项中设置导体扩展部分的宽度；Air-Gap选项中设置绝缘间隙的宽度。

11.4.2 内电层分割方法

在本章的前几节已经介绍了多层板的层叠结构的选择，内电层的建立和相关的设置，在本小节中将主要介绍多层板内电层的分割方法和步骤，供读者参考。

（1）在分割内电层之前，首先需要定义一个内电层，这在前面的章节中已经有了介绍，本处不再赘述。选择【Design】/【Split Planes…】命令，弹出如图11-14所示的内电层分割对话框。该对话框中的Current split planes栏中指内电层已经分割的区域。在本例中，内电层尚未被分割，所以图11-14所示的Current split planes栏为空白。Current split planes栏下的Add、Edit、Delete按钮分别用于添加新的电源区域，编辑选中的网络和删除选中的网络。按钮下方的Show Selected Split Plane View选项用于设置是否显示当前选择的内电层分割区域的示意图。如果选择该选项，则在其下方的框中将显示内电层中该区域所划分网络区域的缩略图，其中与该内电层网络同名的引脚、焊盘或连线将在缩略图中高亮显示，不选择该选项则不会高亮显示。Show Net For选项，选择该选项，如果定义内电层的时候已经给该内电层指定了网络，则在该选项上方的方框中显示与该网络同名的连线和引脚情况。

（2）单击Add按钮，弹出如图11-15所示的内电层分割设置对话框。




在如图11-15所示的对话框中，Track Width用于设置绘制边框时的线宽，同时也是同一内电层上不同网络区域之间的绝缘间距，所以通常将Track Width设置的比较大。建议读者在输入数值时也要输入单位。如果在该处只输入数字，不输入单位，那么系统将默认使用当前PCB编辑器中的单位。

Layer选项用于设置指定分割的内电层，此处可以选择Power和GND内电层。本例中有多种电压等级存在，所以需要分割Power内电层来为元器件提供不同等级的电压。

Connect to Net选项用于指定被划分的区域所连接的网络。通常内电层用于电源和地网络的布置，但是在Connect to Net下拉列表中可以看到，可以将内层的整片网络连接到信号网络，用于信号传输，只是一般设计者不这样处理。信号所要求的信号电压和电流弱，对导线要求小，而电源电流大，需要更小的等效内阻。所以一般信号在信号层走线，内电层专用于电源和地网络连线。

（3）单击图11-15内电层分割设置对话框中的OK按钮，进入网络区域边框绘制状态。在绘制内电层边框时，用户一般将其他层面的信息隐藏起来，只显示当前所编辑的内电层，方便进行边框的绘制。选择【Tools】/【Preferences…】命令，弹出如图11-16所示的对话框。选择Display选项，再选择Single Layer Mode复选框，如图11-16所示。这样，除了当前工作层Power之外，其余层都被隐藏起来了，显示效果如图11-17所示。







在分割内电层时，因为分割的区域将所有该网络的引脚和焊盘都包含在内，所以用户通常需要知道与该电源网络同名的引脚和焊盘的分布情况，以便进行分割。在左侧Browse PCB工具中选择VCC网络（如图11-18所示），单击Select按钮将该网络点亮选取。




图11-19所示为将VCC网络点亮选取后，网络标号为VCC的焊盘和引脚与其他网络标号的焊盘和引脚的对比。选择了这些同名的网络焊盘后，在绘制边界的时候就可以将这些焊盘都包含到划分的区域中去。此时这些电源网络就可以不通过信号层连线而是直接通过焊盘连接到内电层。




（4）绘制内电层分割区域。

选择【Design】/【Split Planes…】命令，弹出如图11-14所示的内电层分割对话框，单击Add按钮，弹出如图11-15所示的内电层分割设置对话框。首先选择12V网络，单击OK按钮，光标变为十字状，此时就可以在内电层开始分割工作了。

在绘制边框边界线时，可以按“Shift+空格键”来改变走线的拐角形状，也可以按Tab键来改变内电层的属性。在绘制完一个封闭的区域后（起点和终点重合），系统自动弹出如图11-20所示的内电层分割对话框，在该对话框中可以看到一个已经被分割的区域，在PCB编辑界面中显示如图11-21所示。







在添加完内电层后，放大某个12V焊盘，可以看到该焊盘没有与导线相连接（如图11-22（a）所示），但是在焊盘上出现了一个“+”字标识，表示该焊盘已经和内电层连接。

将当前工作层切换到Power层，可以看到该焊盘在内电层的连接状态。由于内电层通常是整片铜膜，所以图11-22（b）中焊盘周围所示部分将在制作过程中被腐蚀掉，可见GND和该内电层是绝缘的。




在内电层添加了12V区域后，还可以根据实际需要添加别的网络，就是说将整个Power内电层分割为几个不同的相互隔离的区域，每个区域连接不同的电源网络。最后完成效果如图11-23所示。

在完成内电层的分割之后，可以在如图11-20所示的对话框中编辑和删除已放置的内电层网络。单击Edit按钮可以弹出如图11-15所示的内电层属性对话框，在该对话框中可以修改边界线宽、内电层层面和连接的网络，但不能修改边界的形状。如果对边界的走向和形状不满意，则只能单击Delete按钮，重新绘制边界；或者选择【Edit】/【Move】/【Split Plane Vertices】命令来修改内电层边界线，此时可以通过移动边界上的控点来改变边界的形状，如图11-24所示。完成后在弹出的确认对话框中单击Yes按钮即可完成重绘。







在内电层添加了12V区域后，还可以根据实际需要添加别的网络，就是说将整个Power内电层分割为几个不同的相互隔离的区域，每个区域连接不同的电源网络。最后完成效果如图11-23所示。

在完成内电层的分割之后，可以在如图11-20所示的对话框中编辑和删除已放置的内电层网络。单击Edit按钮可以弹出如图11-15所示的内电层属性对话框，在该对话框中可以修改边界线宽、内电层层面和连接的网络，但不能修改边界的形状。如果对边界的走向和形状不满意，则只能单击Delete按钮，重新绘制边界；或者选择【Edit】/【Move】/【Split Plane Vertices】命令来修改内电层边界线，此时可以通过移动边界上的控点来改变边界的形状，如图11-24所示。完成后在弹出的确认对话框中单击Yes按钮即可完成重绘。

出现问题。所以在PCB设计时要尽量保证边界不通过具有相同网络名称的焊盘。




（3）在绘制内电层边界时，如果由于客观原因无法将同一网络的所有焊盘都包含在内，那么也可以通过信号层走线的方式将这些焊盘连接起来。但是在多层板的实际应用中，应该尽量避免这种情况的出现。因为如果采用信号层走线的方式将这些焊盘与内电层连接，就相当于将一个较大的电阻（信号层走线电阻）和较小的电阻（内电层铜膜电阻）串联，而采用多层板的重要优势就在于通过大面积铜膜连接电源和地的方式来有效减小线路阻抗，减小PCB接地电阻导致的地电位偏移，提高抗干扰性能。所以在实际设计中，应该尽量避免通过导线连接电源网络。

（4）将地网络和电源网络分布在不同的内电层层面中，以起到较好的电气隔离和抗干扰的效果。

（5）对于贴片式元器件，可以在引脚处放置焊盘或过孔来连接到内电层，也可以从引脚处引出一段很短的导线（引线应该尽量粗短，以减小线路阻抗），并且在导线的末端放置焊盘和过孔来连接，如图11-27所示。

（6）关于去耦电容的放置。前面提到在芯片的附近应该放置0.01μF的去耦电容，对于电源类的芯片，还应该放置10 F或者更大的滤波电容来滤除电路中的高频干扰和纹波，并用尽可能短的导线连接到芯片的引脚上，再通过焊盘连接到内电层。

（7）如果不需要分割内电层，那么在内电层的属性对话框中直接选择连接到网络就可以了，不再需要内电层分割工具。

11.5 多层板设计原则汇总

在本章及前面几章的介绍中，我们已经强调了一些关于PCB设计所需要遵循的原则，在这里我们将这些原则做一汇总，以供读者在设计时参考，也可以作为设计完成后检查时参考的依据。

1．PCB元器件库的要求

（1）PCB板上所使用的元器件的封装必须正确，包括元器件引脚的大小尺寸、引脚的间距、引脚的编号、边框的大小和方向表示等。
（2）极性元器件（电解电容、二极管、三极管等）正负极或引脚编号应该在PCB元器件库中和PCB板上标出。

（3）PCB库中元器件的引脚编号和原理图元器件的引脚编号应当一致，例如在前面章节中介绍了二极管PCB库元器件中的引脚编号和原理图库中引脚编号不一致的问题。

（4）需要使用散热片的元器件在绘制元器件封装时应当将散热片尺寸考虑在内，可以将元器件和散热片一并绘制成为整体封装的形式。

（5）元器件的引脚和焊盘的内径要匹配，焊盘的内径要略大于元器件的引脚尺寸，以便安装。

2．PCB元件布局的要求

（1）元器件布置均匀，同一功能模块的元器件应该尽量靠近布置。
（2）使用同一类型电源和地网络的元器件尽量布置在一起，有利于通过内电层完成相互之间的电气连
接。
（3）接口元器件应该靠边放置，并用字符串注明接口类型，接线引出的方向通常应该离开电路板。
（4）电源变换元器件（如变压器、DC/DC变换器、三端稳压管等）应该留有足够的散热空间。
（5）元器件的引脚或参考点应放置在格点上，有利于布线和美观。
（6）滤波电容可以放置在芯片的背面，靠近芯片的电源和地引脚。
（7）元器件的第一引脚或者标识方向的标志应该在PCB上标明，不能被元器件覆盖。
（8）元器件的标号应该紧靠元器件边框，大小统一，方向整齐，不与焊盘和过孔重叠，不能放置在元
器件安装后被覆盖的区域。

3．PCB布线要求
（1）不同电压等级电源应该隔离，电源走线不应交叉。
（2）走线采用45°拐角或圆弧拐角，不允许有尖角形式的拐角。
（3）PCB走线直接连接到焊盘的中心，与焊盘连接的导线宽度不允许超过焊盘外径的大小。
（4）高频信号线的线宽不小于20mil，外部用地线环绕，与其他地线隔离。
（5）干扰源（DC/DC变换器、晶振、变压器等）底部不要布线，以免干扰。
（6）尽可能加粗电源线和地线，在空间允许的情况下，电源线的宽度不小于50mil。
（7）低电压、低电流信号线宽9～30mil，空间允许的情况下尽可能加粗。
（8）信号线之间的间距应该大于10mil，电源线之间间距应该大于20mil。
（9）大电流信号线线宽应该大于40mil，间距应该大于30mil。
（10）过孔最小尺寸优选外径40mil，内径28mil。在顶层和底层之间用导线连接时，优选焊盘。
（11）不允许在内电层上布置信号线。
（12）内电层不同区域之间的间隔宽度不小于40mil。
（13）在绘制边界时，尽量不要让边界线通过所要连接到的区域的焊盘。
（14）在顶层和底层铺设敷铜，建议设置线宽值大于网格宽度，完全覆盖空余空间，且不留有死铜，同时与其他线路保持30mil（0.762mm）以上间距（可以在敷铜前设置安全间距，敷铜完毕后改回原有安全间距值）。
（15）在布线完毕后对焊盘作泪滴处理。
（16）金属壳器件和模块外部接地。
（17）放置安装用和焊接用焊盘。
（18）DRC检查无误。

4．PCB分层的要求

（1）电源平面应该靠近地平面，与地平面有紧密耦合，并且安排在地平面之下。
（2）信号层应该与内电层相邻，不应直接与其他信号层相邻。
（3）将数字电路和模拟电路隔离。如果条件允许，将模拟信号线和数字信号线分层布置，并采用屏蔽
措施；如果需要在同一信号层布置，则需要采用隔离带、地线条的方式减小干扰；模拟电路和数字电路
的电源和地应该相互隔离，不能混用。
（4）高频电路对外干扰较大，最好单独安排，使用上下都有内电层直接相邻的中间信号层来传输，以
便利用内电层的铜膜减少对外干扰。

11.6 本章 小 结

本章主要介绍了多层电路板的设计步骤，包括多层板层数的选择、层叠结构的选择；多层板布局布线与普通双层板布局布线的相同和不同；多层板特有的中间层的创建和设置，以及内电层设计。根据本章所罗列的步骤，读者已经能够完成多层PCB的初步设计工作。在接下来的章节中，我们将介绍PCB的电磁兼容和信号完整性的相关内容，以便更好地完成PCB设计。