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Honeywell 30731811-001

在设计多层PCB电路板之前，设计者需要首先根据电路的规模 电路板的尺寸 电磁兼容（EMC） 电路的规模、电路板的尺寸电磁兼容（ 电路的规模 电路板的尺寸和电磁兼容 ） 的要求来确定所采用的电路板结构，也就是决定采用 4 层，6 层，还是更多层数的电路板。确定层数的要求之后，再确定内电层的放置位置以及如何在这些层上分布不同的信号。这就是多层 PCB 层叠结构的 选择问题。层叠结构是影响 PCB 板 EMC 性能的一个重要因素 层叠结构是影响 性能的一个重要因素，也是抑制电磁干扰的一个重要手段。本节将介绍多层 PCB 板层叠结构的相关内容。
    1.层数的选择和叠加原则
    确定多层 PCB 板的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说，层数越多越利于布线 但是制层数越多越利于布线，但是制层数越多越利于布线 板成本和难度也会随之增加。对于生产厂家来说，层叠结构对称与否 PCB 板制造时需要关注的焦 层叠结构对称与否是 板成本和难度也会随之增加 层叠结构对称与否 点，所以层数的选择需要考虑各方面的需求，以达到**的平衡。
    对于有经验的设计人员来说，在完成元器件的预布局后，会对 PCB 的布线瓶颈处进行重点分析 结 完成元器件的预布局后的布线瓶颈处进行重点分析 颈处进行重点分析。结 完成元器件的预布局后工具分析电路板的布线密度；再综合有特殊布线要求的信号线如差分线、敏感信号线 有特殊布线要求的信号线如差分线 合其他 EDA 工具分析电路板的布线密度有特殊布线要求的信号线如差分线、敏感信号线等 的数量和种类来确定信号层的层数 然后根据电源的种类、来确定信号层的层数； 根据电源的种类、 隔离和抗干扰的要求来确定内电层的数目。来确定信号层的层数 根据电源的种类 隔离和抗干扰的要求来确定内电层的数目 这样，整个电路板的板层数目就基本确定了。
    确定了电路板的层数后，接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。在这一步骤中，需要考虑的因素主要有以下两点：
    （1）特殊信号层的分布
    （2）电源层和地层的分布
    如果电路板的层数越多，特殊信号层、地层和电源层的排列组合的种类也就越多，如何来确定哪种组合方式**也越困难，但总的原则有以下几条：
    地层，利用内电层的大铜膜来为信号层提供屏蔽:
 （1）信号层应该与一个内电层相邻（内部电源 地层），利用内电层的大铜膜来为信号层提供屏蔽。
 （2）内部电源层和地层之间应该紧密耦合，也就是说，内部电源层和地层之间的介质厚度应该取较）内部电源层和地层之间应该紧密耦合，也就是说， 小的值，以提高电源层和地层之间的电容，增大谐振频率。小的值，以提高电源层和地层之间的电容，增大谐振频率。
（3）电路中的高速信号传输层应该是信号中间层，并且夹在两个内电层之间。这样两个内电层的铜膜可以为高速信号传输提供电磁屏蔽，同时也能有效地将高速信号的辐射限制在两个内电层之间，不对外造成干扰。
 （4）避免两个信号层直接相邻。相邻的信号层之间容易引入串扰，从而导致电路功能失效;在两信号层之间加入地平面可以有效地避免串扰。
 （5）多个接地的内电层可以有效地降低接地阻抗;例如，A 信号层和 B 信号层采用各自单独的地平 面，可以有效地降低共模干扰。
 （6）兼顾层结构的对称性。
    2.常用的层叠结构
    下面通过 4 层板的例子来说明如何优选各种层叠结构的排列组合方式：
    对于常用的 4 层板来说，有以下几种层叠方式（从顶层到底层）：
    （1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），POWER（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。
    （2）Siganl_1（Top），POWER（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。
    （3）POWER（Top），Siganl_1（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。
    显然，方案 3 电源层和地层缺乏有效的耦合，不应该被采用。
    那么方案 1 和方案 2 应该如何进行选择呢？
    一般情况下，设计人员都会选择方案 1 作为 4 层板的结构。原因并非方案 2 不可被采用，而是一般的 PCB 板都只在顶层放置元器件，所以采用方案 1 较为 妥当。但是当在顶层和底层都需要放置元器件，而且内部电源层和地层之间的介质厚度较大，耦合不佳时，就需要考虑哪一层布置的信号线较少。对于方案 1 而言，底层的信号线较少，可以采用大面积 的铜膜来与 POWER 层耦合；反之，如果元器件主要布置在底层，则应该选用方案 2 来制板。
    在完成 4 层板的层叠结构分析后， 下面通过一个 6 层板组合方式的例子来说明 6 层板层叠结构的排列 组合方式和优选方法：
    （1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），Siganl_3（Inner_3），POWER （In）。 方案 1 采用了 4 层信号层和 2 层内部电源/接地层，具有较多的信号层，有利于元器件之间的布线工作，但是该方案的缺陷也较为明显，表现为以下两方面：
      ① 电源层和地线层分隔较远，没有充分耦合
      ② 信号层 Siganl_2（Inner_2）和 Siganl_3（Inner_3）直接相邻，信号隔离性不好，容易发生串扰
    （2）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），POWER（Inner_2），GND（Inner_3），Siganl_3 （In）。
    方案 2 相对于方案 1， 电源层和地线层有了充分的耦合， 比方案 1 有一定的优势， 但是 Siganl_1 （Top） 和 Siganl_2（Inner_1）以及 Siganl_3（Inner_4）和 Siganl_4（Bottom）信号层直接相邻，信号隔 离不好，容易发生串扰的问题并没有得到解决。
    ），GND（Inner_1）， ），Siganl_2（Inner_2）， ），POWER（Inner_3），），GND （3）Siganl_1（Top）， ） （ ）， （ ）， （ ）， （ ）， （Inner_）。）。
    相对于方案 1 和方案 2，方案 3 减少了一个信号层，多了一个内电层，虽然可供布线的层面减少了，但是该方案解决了方案 1 和方案 2 共有的缺陷：

•  电源层和地线层紧密耦合

   ② 每个信号层都与内电层直接相邻，与其他信号层均有有效的隔离，不易发生串扰
   ③ Siganl_2（Inner_2）和两个内电层 GND（Inner_1）和 POWER（Inner_3）相邻，可以用来传 （ ） （ ） （ ）相邻，两个内电层可以有效地屏蔽外界对 Siganl_2 Inner_2） 输高速信号。 高速信号。 两个内电层可以有效地屏蔽外界对（ ） 层的干扰和 Siganl_2 Inner_2） （ ） 对外界的干扰。 
    综合各个方面，方案 3 显然是**化的一种，同时，方案 3 也是 6 层板常用的层叠结构。
       通过对以上两个例子的分析，相信读者已经对层叠结构有了一定的认识，但是在有些时候，某一个方案并不能满足所有的要求，这就需要考虑各项设计原则的优先级问题。遗憾的是由于电路板的板层设 计和实际电路的特点密切相关，不同电路的抗干扰性能和设计侧重点各有所不同，所以事实上这些原则并没有确定的优先级可供参考。但可以确定的是，设计原则 2（内部电源层和地层之间应该紧密耦 设计原则 （内部电源层和地层之间应该紧密耦如果电路中需要传输高速信号， 合）在设计时需要首先得到满足，另外如果电路中需要传输高速信号，那么设计原则 3（电路中的高在设计时需要首先得到满足， 如果电路中需要传输高速信号 （ 速信号传输层应该是信号中间层，并且夹在两个内电层之间）就必须得到满足速信号传输层应该是信号中间层，并且夹在两个内电层之间）就必须得到满足。

由于工程师们都在竭尽所能地获得其电源的**高效率，时序优化正变得越来越重要。在开关期间，存在两个过渡阶段：低压侧开关开启和高压侧开关开启。

　　低压侧开启开关至关重要，因为该过渡阶段几乎没有损耗，也即“无损开启”.在高压侧开关关闭以后，电感电流驱动开关节点电压无损接地。开启低压侧开关的**时机便为过渡结束时。如果在低压侧开启以前主体二极管短暂导电，则其无关紧要，因为它不会导致反向恢复损耗。在下一个开关过渡之前，该结点处的过剩载流全部耗散。但是，如果电流仍然长时间存在于主体二极管内，则会有过高的传导损耗。高压侧 FET 开启时序是**为重要的过渡。由于同低压侧 FET 存在交叉导通，因此开启过早会导致直通损耗；开启过晚又会导致传导损耗增高，并且会将过剩载流注入低压侧 FET 主体二极管内（必须对其进行恢复）。不管哪种情况，都会降低效率。

　　为了说明效率与驱动信号之间时序的关系，我构建起了一些具有驱动器信号可调节延迟的电源。之后，我比较了效率与延迟时间，对其存在的关系进行了研究。图 1A-1C 显示了结果。

　　图 1A 显示了当高压侧 FET 在低压侧 FET 完全关闭之前开启时的情况。在低压侧栅极驱动中有一个明显的更大的Miller 区域，其低压侧 FET 和高压侧 FET 同时导通，从而在功率级中产生直通电流。当低压侧 FET **终关闭时，在开关节点处存在额外的电压过冲。在图 1B 中，在低压侧 FET 关闭且主体二极管中形成电流以后，高压侧 FET 才开启。当高压侧 FET 开启时，其恢复该主体二极管，并且会有一个电流峰值让开关节点电压出现振铃。但是，由于所用MOSFET体二极管的反向恢复时间（12 nS）极短，因此这种现象并不明显。主体二极管速度越慢，振铃越明显。图 1C 拥有**高的电源效率。在高压侧开关开启以前，低压侧栅极电压降至接地电压附近。高压侧在更低的主体二极管导电以前开启，开关节点振铃**小化。

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