Allegro學習筆記之——層疊



不復雜的電路通常都是用雙層板,但電路很複雜時就不得不考慮多層板了,但多層板的開工價格很好,像我畫的一塊FPGA板,由於要用到BGA,所以不得不採用6層板,78mmx100mm的面積,做12塊板就用了2456大洋。所以成本和PCB的層數是矛盾的一對。


 


對於層疊的優點可以參考下面文章


 


EMI/EMC設計講座 (共七章)


 


EMI/EMC 設計講座()PCB被動組件的隱藏特性解析  pdf


EMI/EMC 設計講座()磁通量最小化的概念     pdf


EMI/EMC 設計講座()傳導式EMI 的測量技術   pdf


EMI/EMC 設計講座()印刷電路板的映像平面   pdf


EMI/EMC 設計講座()映像平面的分割與隔離   pdf


EMI/EMC 設計講座()多層通孔和分離平面的概念   pdf


EMI/EMC 設計講座()印刷電路板的EMI噪訊對策技巧   pdf


 


        爲了消除PCB內的射頻電流,有兩種方法:「磁通量消除(flux cancellation)」或「磁通量最小化(flux minimization)」。最簡單的磁通量消除法,是使用「鏡像平面(image plane)」。


        鏡像平面除了能降低接地噪聲電壓以外,也能防止射頻接地迴路變大,因爲射頻電流緊密地與它們的電流源走線耦合,所以,它不需要另外尋找回傳路徑。當迴路控制最大化時,磁通量就被大幅消除了。在靠近每一個信號平面處,正確地配置映像平面,就可以消除共模的射頻電流。傳輸大量的射頻電流的映像平面,必須接地或接至0V參考點。爲了移除多餘的射頻電壓和渦流,所有接地和底座平面可以透過一個低阻抗的接地電路,連接至底座的接地點。


 


          


                  圖1 具有一個很小的迴路面積的PCB佈線


 


 


可靠的返回路徑應該和信號路徑平行且靠近。只有這樣,信號路徑和返回路徑產生的磁力線纔會最大程度地相互抵消,因爲兩者方向相反,這就是磁通最小化原理,如圖2所示,圖2(a)所示的迴路面積比圖2(b)所示的小。迴路產生的磁通量也比較小。它向周圍產生的輻射較少。在周圍其他信號線上產生的串擾也較少。最壞的設計就是返回路徑出現斷裂,甚至根本沒有爲信號路徑提供返回路徑;而最好也是最簡單的設計就是上面提到的採用參考平面(鏡像層)。


 



  圖2 迴路磁通


建議層疊原則


A.     元件面、焊接面爲完整的地平面(屏蔽)


B.     無相鄰平行佈線層;


C.    所有信號層儘可能與地平面相鄰;


D.    關鍵信號與地層相鄰,不跨分割區。


 


4層板



 


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方案1在元件面下有一地平面,關鍵信號優先布在TOP層;至於層厚設置,有以下建議:


?        滿足阻抗控制


?        芯板(GND到POWER)不宜過厚,以降低電源、地平面的分佈阻抗;保證電源平面的去耦效果。



 



 


方案2缺陷


?        電源、地相距過遠,電源平面阻抗過大


?        電源、地平面由於元件焊盤等影響,極不完整


?        由於參考面不完整,信號阻抗不連續


方案3


     同方案1類似,適用於主要器件在BOTTOM佈局或關鍵信號在底層佈線的情況。


 


6層板



 


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方案3減少了一個信號層,多了一個內電層,雖然可供佈線的層面減少了,但是該方案解決了方案1和方案2共有的缺陷。


優點:


?    電源層和地線層緊密耦合。


?    每個信號層都與內電層直接相鄰,與其他信號層均有有效的隔離,不易發生串擾。


?      Siganl_2Inner_2)和兩個內電層GNDInner_1)和POWERInner_3)相鄰,可以用來傳輸高速信號。兩個內電層可以有效地屏蔽外界對Siganl_2Inner_2)層的干擾和Siganl_2Inner_2)對外界的干擾。


 


方案1採用了4層信號層和2層內部電源/接地層,具有較多的信號層,有利於元器件之間的佈線工作。


缺陷:


?    電源層和地線層分隔較遠,沒有充分耦合。


?    信號層Siganl_2Inner_2)和Siganl_3Inner_3)直接相鄰,信號隔離性不好,容易發   生串擾。 


 


8層板



 


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10層板



 


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12層板



 


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Allegro層疊的設置


層疊結構的編輯於定義通過


?        Setup—>Cross Section


?        Setup—>Subclasses—>Etch


兩種方法都可以打開



 


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Physical Thickness


PCB板的整個厚度。單擊Sum按鈕Allegro將各層的厚度相加得到Physical Thickness。


 


Material


材料類型。


 


Layer Type


層的類型。


?        Conductor 信號層的類型


?        Dielectric  電介質


?        Plane     地層和電源層的類型


 


DRC as Photo File Type


?        Positive   正片


?        Negative  負片


 


(Positive )正片:簡單地說就是,在底片上看到什麼就有什麼。
(Negative)負片:正好相反,看到的就是沒有的,看不到的就是有的。見下圖:



 


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對於負片,白色部分是覆上的銅箔,黑色是挖掉的部分。


對於正片,黑色部分是覆上的銅箔,白色是挖掉的部分。


 


在 Allegro中使用正負片的特點:
(Positive )正片優點:所見所的,有比較完善的 DRC檢查。
 
                         
缺點:是如果移動零件(一般指DIP的)或貫孔,銅箔需重鋪或者重新連結,否則就會短路或開路。另外,如果包含大量銅箔又用 2*4D格式出底片是數據量會很大。


 


(Negative)負片優點:正好克服正片移動零件或貫孔時需要重鋪銅箔的缺點,過孔貫穿負片層時程序根據網絡連接判斷採用(Thermal Relief)與該層連接還是用(Anti-Pad)與該層隔開。


缺點:DRC  Check 並沒有做的很完整,對於被Anti-Pad隔斷的內層沒有DRC 報錯。


                      一般信號層設置爲正片,電源層設置爲負片。


在建焊盤時注意下圖紅色方框中的設置都是針對負片而言的


 


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    在各層最右邊Edit欄下的”—>”圖標上單擊鼠標,Allegro彈出一個對該層進行編輯的快捷菜單:


 




 


      Show:顯示該層內容;Delete:刪除該層;Insert:在該層下面插入一層。


 


參考資料:


1)     多層PCB層疊結構


http://blog.csdn.net/bird67/archive/2009/04/15/4077023.aspx


2)     平衡PCB層疊設計方法 -- cqgc's Blog


http://blog.ednchina.com/cqgc/53/message.aspx


3)    高速電路PCB “地”、返回路徑、鏡像層和磁通最小化


 


4)     EMI/EMC設計(四)印刷電路板的映像平面-電子開發網


http://www.dzkf.cn/html/PCBjishu/2007/1022/2716.html


5)     電磁兼容(EMC)小小家 - 高速PCB的疊層設計


http://www.emchome.net/article.php/789


6)     印刷線路板設計指南


http://enbbs.cnttr.com/thread-98918-1-5.html


7)     電路板的層疊結構 - PCB資源網


http://www.pcbres.com/pcbtech/pcbmake/200806186776.html


8) 層疊設計----PCB 工程師需要注意的地方-電子電路圖,電子技術資料網站


http://www.elecfans.com/article/80/114/2006/200604162783.html


9)  PCB技術:印刷電路板(PCB)設計中的EMI解決方案 - 維庫電子開發網


http://solution.weeqoo.com/2009/1/200911491120152535.html


10) Allegro 中正負片的概念及相關設置


http://www.91pcb.com/allegro/Allegrogaoji001.asp






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