1. 從整層銅箔到局部優(yōu)化一次內(nèi)電層設(shè)計(jì)的思路轉(zhuǎn)變做PCB設(shè)計(jì)這么多年我見過太多人拿到一塊板子習(xí)慣性地就把內(nèi)電層設(shè)置成整層銅箔然后一個(gè)網(wǎng)絡(luò)鋪到底。整層銅箔確實(shí)省事尤其在四層板里把第二層鋪成完整的GND第三層鋪成完整的電源層看起來又簡單又“專業(yè)”。但真到了調(diào)試階段這種簡單的做法往往會(huì)給自己挖坑。先說個(gè)我自己的例子。之前做一塊帶模擬前端和開關(guān)電源的混合信號(hào)板四層板第二層整層GND第三層整層3.3V。當(dāng)時(shí)覺得規(guī)劃得挺完美電源回路處處都有參考平面。結(jié)果板子打樣回來一上電ADC采樣噪聲始終壓不下去示波器一看紋波里全是我那個(gè)DC-DC的開關(guān)頻率諧波。折騰了好幾天才意識(shí)到問題就出在這個(gè)“處處完整”的電源平面上——開關(guān)電源的地回流電流把敏感的信號(hào)地?cái)嚨靡粓F(tuán)糟。后來我把內(nèi)電層重新做局部分割模擬區(qū)域的地單獨(dú)用一小塊銅箔通過星型接地點(diǎn)單點(diǎn)匯入系統(tǒng)地?cái)?shù)字電源和模擬電源在電源層上分開走各自成島。再用一排接地過孔把模擬區(qū)域圍起來做信號(hào)屏蔽。改完之后噪聲直接降了一個(gè)數(shù)量級(jí)ADC數(shù)據(jù)漂亮得讓我懷疑是不是換了塊板子。這也是我寫這篇內(nèi)容的初衷。很多人用嘉立創(chuàng)EDA畫PCB時(shí)內(nèi)電層的處理還停留在“能出板就行”的階段很少有人把內(nèi)電層當(dāng)成一個(gè)可以精細(xì)雕琢的空間。但這恰恰是決定一塊板子性能好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。整層銅箔適合什么場(chǎng)景電源分割怎么做才合理信號(hào)屏蔽過孔怎么布置才有效這些不是玄學(xué)是有章可循的工程方法。這篇文章我就以嘉立創(chuàng)EDA為工具把內(nèi)電層局部優(yōu)化的完整思路、操作步驟、以及調(diào)試過程中積累的排查經(jīng)驗(yàn)一起梳理出來。不管你是在做電源板、混合信號(hào)板還是高速數(shù)字板這部分內(nèi)容應(yīng)該都能用得上。2. 為什么不能永遠(yuǎn)“整層銅箔”內(nèi)電層的本質(zhì)與選型邏輯2.1 內(nèi)電層到底是什么正片和負(fù)片有什么區(qū)別很多人在嘉立創(chuàng)EDA里設(shè)置內(nèi)電層時(shí)只看“第二層”、“第三層”的層號(hào)安排卻忽略了層類型的選擇。這里的核心概念就兩個(gè)正片和負(fù)片。負(fù)片模式是傳統(tǒng)的內(nèi)電層工作方式。你在設(shè)置里指定某個(gè)內(nèi)電層屬于某個(gè)網(wǎng)絡(luò)比如GND整層銅箔默認(rèn)就屬于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。你在這一層畫的走線、過孔位置反而會(huì)把銅箔挖掉也就是“畫線即隔離”。正片模式下的內(nèi)電層則和頂層底層沒本質(zhì)區(qū)別你鋪了銅的地方是銅沒鋪銅的地方就不是銅和做覆銅操作類似。嘉立創(chuàng)EDA里內(nèi)電層的正負(fù)片屬性在層管理器里可以切換。負(fù)片的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)量小大板子跑起來流暢而且整片都是同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)電氣連接關(guān)系非常干凈。但負(fù)片模式下想在一個(gè)層里分出多個(gè)電源區(qū)域就得手工去畫隔離線、去挖銅步驟相對(duì)繁瑣而且編輯反饋不夠直觀。正片模式則更像是在內(nèi)層畫普通的鋪銅區(qū)域。你可以像在頂層一樣用鋪銅命令去建立不同網(wǎng)絡(luò)的銅皮區(qū)域進(jìn)行局部優(yōu)化。這對(duì)剛接觸內(nèi)電層設(shè)計(jì)的工程師來說更友好——所見即所得哪里是銅、哪里不是一目了然。在嘉立創(chuàng)EDA里我實(shí)際更推薦初學(xué)者用正片方式來做內(nèi)電層電源分割原因很簡單內(nèi)電層本來就是承載電源和地的正片模式下分割不同電源區(qū)域可以用鋪銅區(qū)域直觀地控制每一塊銅箔的形狀和網(wǎng)絡(luò)歸屬。2.2 整層銅箔的三個(gè)典型翻車場(chǎng)景整層銅箔并不是一無是處它對(duì)大面積地回流、降低直流阻抗來說確實(shí)有效。但以下三種情況整層銅箔的弊端會(huì)非常明顯。第一種情況是多電源系統(tǒng)。板上同時(shí)存在VBAT、5V、3.3V、1.8V四組電源時(shí)如果你打算把所有電源都布置在某個(gè)內(nèi)電層上整層銅箔就沒法處理了。你得把這一層按照電源域“切成”相互隔離的多個(gè)區(qū)域每個(gè)區(qū)域單獨(dú)分配網(wǎng)絡(luò)。這時(shí)如果硬要做整層銅箔那只能選擇其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)鋪滿整層其他電源全部走信號(hào)層——這既浪費(fèi)了內(nèi)電層的優(yōu)勢(shì)也讓電源回路變長EMI問題隨之而來。第二種情況是混合信號(hào)板。模擬電路和數(shù)字電路混在一起時(shí)整體的參考地平面需要保持完整但局部的噪聲耦合又必須被阻斷。這里的處理邏輯不是把地平面徹底切開而是在關(guān)鍵位置做地平面的局部屏蔽隔離讓敏感的模擬區(qū)域在物理上與數(shù)字噪聲源拉開距離。整層銅箔會(huì)被數(shù)字電路的高頻回流電流污染模擬區(qū)的地參考也會(huì)跟著受影響。第三種情況是功率較大的電源板。BUCK電路輸入端有大的脈動(dòng)電流輸出端是穩(wěn)定的直流電流這兩種電流不應(yīng)該共享一段內(nèi)電層銅箔走線否則輸出的紋波會(huì)惡化。此時(shí)需要做電源分割把輸入環(huán)路和輸出環(huán)路從銅箔層面就分開。2.3 內(nèi)電層局部優(yōu)化的核心收益做內(nèi)電層局部優(yōu)化本質(zhì)上是在控制電流的路徑和信號(hào)的參考空間。收益可以分成三個(gè)方面一是電源完整性更好。每路電源走獨(dú)立的銅箔區(qū)域減少了不同電源之間的串?dāng)_銅箔厚度比走線寬得多壓降也更小。二是電磁兼容性更可控。敏感信號(hào)有了完整且干凈的參考平面回流路徑不被人為切斷輻射和敏感度問題都會(huì)成比例減少。三是調(diào)試維護(hù)更方便。內(nèi)電層的不同區(qū)域被明確劃分后測(cè)電源的時(shí)候你知道該在哪兩個(gè)過孔之間量排查問題的時(shí)候也更容易追溯。相比“整層都是同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)”的方案這種設(shè)計(jì)在后期調(diào)試階段的優(yōu)勢(shì)不能用省了多少時(shí)間去衡量幾乎能砍掉一半排查時(shí)間。3. 電源分割與信號(hào)屏蔽的設(shè)計(jì)思路拆解3.1 電源分割方案的選擇依據(jù)電源分割聽起來復(fù)雜核心思路其實(shí)很樸素不同電源各自占一塊銅箔區(qū)域互不重疊每塊區(qū)域通過過孔連接到需要供電的器件。就像一棟樓的各層配電間每層電表互不干擾供電各管各的。但在分割之前要先回答幾個(gè)問題你的板子上有哪些電源軌道每個(gè)軌道的電流有多大哪些區(qū)域?qū)y波敏感這幾個(gè)問題直接決定了分割方案的基本形狀。我自己的習(xí)慣是先列一張電源清單表把電源域、網(wǎng)絡(luò)名、電流大小、敏感設(shè)備、所在層都寫清楚。這樣做的好處是你在PCB里畫分割邊界時(shí)就有了據(jù)可依而不是憑感覺隨機(jī)畫幾條線。比如一個(gè)典型的四層板第二層整層GND作為完整參考地第三層做電源分割把5V、3.3V、1.8V各自圈出區(qū)域。大電流的電源域要盡量寬、短、直模擬供電區(qū)域則要盡量遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)。3.2 信號(hào)屏蔽的理論基礎(chǔ)與常見做法信號(hào)屏蔽在內(nèi)電層里的實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上就是給敏感信號(hào)制造一個(gè)相對(duì)純凈的參考空間。高頻信號(hào)的回流電流總是沿電感最小的路徑走如果參考地平面被切斷或者被污染回流電流就會(huì)被擠到其他路徑上形成很大的回流環(huán)路。這個(gè)環(huán)路就是EMI輻射的天線也是抗擾度下降的主要原因。屏蔽做法通常有兩種一種是在頂層或底層對(duì)敏感走線做“兩側(cè)包地”也就是在信號(hào)走線兩邊常規(guī)鋪上地銅再用過孔把這兩條地銅和內(nèi)部的地平面縫合起來。另一種做法是在內(nèi)電層上把敏感區(qū)域的地碎塊和周圍的地網(wǎng)用一個(gè)窄窄的地頸部連接起來形成所謂的地屏蔽島。島內(nèi)部的地電位和主地網(wǎng)之間只有一點(diǎn)相連高頻噪聲就無法通過大面積耦合進(jìn)來。3.3 星型接地如何與內(nèi)電層結(jié)合很多人以為星型接地是指“把走線畫成星星的形狀”其實(shí)不是。星型接地是指所有敏感電路的接地參考點(diǎn)最終都集中到一個(gè)物理位置單點(diǎn)連接到系統(tǒng)地避免多個(gè)接地點(diǎn)形成地環(huán)路。在原理圖里實(shí)現(xiàn)星型接地很容易但在PCB里如果內(nèi)電層是全層模擬地或者全層數(shù)字地星型接地的效果就被架空了——因?yàn)榇竺娣e銅箔會(huì)讓所有“點(diǎn)”變成“面”地環(huán)路依然存在。所以星型接地與內(nèi)電層局部優(yōu)化的結(jié)合方式是在電源層或地平面層上把不同功能模塊的地區(qū)域先物理分割再通過一個(gè)刻意設(shè)計(jì)的窄通道或單個(gè)過孔橋接到主地平面。這個(gè)窄通道就是“星型接地點(diǎn)”在PCB上的物理實(shí)現(xiàn)。注意分割地平面不能隨意切斷回流路徑必須確保每個(gè)分割區(qū)域都有且僅有唯一的低阻抗連接點(diǎn)。下面設(shè)計(jì)實(shí)操部分我會(huì)給出在嘉立創(chuàng)EDA里具體怎么做這個(gè)橋接點(diǎn)。4. 嘉立創(chuàng)EDA內(nèi)電層局部優(yōu)化實(shí)操4.1 準(zhǔn)備建立層疊與內(nèi)電層設(shè)置在嘉立創(chuàng)EDA專業(yè)版里打開PCB先進(jìn)入“設(shè)計(jì)”菜單下的“層設(shè)置”或“板層管理器”。以四層板為例典型層疊是層序號(hào)層名類型主要網(wǎng)絡(luò)/用途頂層Top Layer信號(hào)層正片元器件、走線內(nèi)層1Inner Layer 1內(nèi)電層建議正片地平面GND內(nèi)層2Inner Layer 2內(nèi)電層建議正片電源分割層底層Bottom Layer信號(hào)層正片走線、接地我建議在嘉立創(chuàng)EDA里把內(nèi)電層都設(shè)成“正片”模式。原因前面說過正片模式便于使用鋪銅區(qū)域功能能直觀地對(duì)電源區(qū)域進(jìn)行劃分。負(fù)片模式在嘉立創(chuàng)EDA里也能用但編輯體驗(yàn)不如正片順滑新手容易在檢查電氣連接時(shí)一臉懵。4.2 電源分割操作從整層銅箔到多電源區(qū)域以三層電源的情況為例假設(shè)內(nèi)層2需要分成5V和3.3V兩個(gè)電源島具體操作步驟如下第一步先對(duì)內(nèi)層2做一次整體的鋪銅鋪銅網(wǎng)絡(luò)選占板面積較大的那個(gè)電源比如3.3V。在嘉立創(chuàng)EDA中選擇“鋪銅”工具在層選擇里切到內(nèi)層2然后框選整塊板子范圍。注意鋪銅區(qū)域要避開板邊、器件孔和安裝孔我一般會(huì)把鋪銅邊界離板邊控制在0.5mm以上。第二步確定5V區(qū)域的范圍。在原理圖中找到5V電源主要供應(yīng)的電路區(qū)塊回到PCB布局里查看這些器件集中分布的位置你用“選擇器件”加“高亮網(wǎng)絡(luò)5V”的功能就能看得一清二楚。然后在鋪銅區(qū)域上用“切割鋪銅”或者“多邊形修整”的方式把5V占用的位置從大銅皮里劃分出去。第三步為劃分出來的5V子區(qū)域重新分配網(wǎng)絡(luò)。嘉立創(chuàng)EDA里可以選中這塊獨(dú)立的銅皮區(qū)域在屬性面板里把網(wǎng)絡(luò)從3.3V改為5V。如果操作正確這塊區(qū)域會(huì)立即變?yōu)榱硪粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)的銅箔。第四步檢查兩片銅箔之間的間距。分割溝道寬度取決于層間距和電壓差。一般低壓板5V/3.3V我習(xí)慣保持0.3mm到0.5mm的隔離間隙。如果兩個(gè)電源的網(wǎng)絡(luò)電壓差超過10V就把這個(gè)間距加大到0.75mm以上防止爬電。注意分割電源區(qū)域的邊界盡量不要讓任何頂層或底層的走線跨越這條溝道。如果必須跨越請(qǐng)確?？缭教幱袑?duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的去耦電容做電流回路過渡否則回流信號(hào)會(huì)繞很遠(yuǎn)的路。4.3 信號(hào)屏蔽區(qū)域的實(shí)現(xiàn)地島分割與屏蔽過孔陣電源分割搞定后再處理信號(hào)屏蔽。這里我們做一個(gè)典型場(chǎng)景在板上某個(gè)角落有一個(gè)小信號(hào)模擬放大區(qū)域旁邊是DC-DC開關(guān)電源我們需要把這個(gè)區(qū)域“圈”起來。第一步先把模擬區(qū)域的地從整個(gè)地平面里獨(dú)立出來。在嘉立創(chuàng)EDA中選中GND網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)電層鋪銅沿著模擬區(qū)域外圍畫一條分割線把這塊地切出來。注意不要完全切斷留一個(gè)狹窄的連接“橋”寬度大概2mm到3mm作為單點(diǎn)接地的通道。這個(gè)橋正是星型接地的物理體現(xiàn)。第二步在模擬區(qū)域的外圍放置一排接地過孔。過孔間距要看信號(hào)頻率對(duì)于幾十MHz級(jí)別的應(yīng)用過孔間距做到2mm到3mm足夠了。過孔要連接頂層的地銅、內(nèi)電層的地島、以及底層的地銅形成一圈“屏蔽墻”。如果板上空間允許最好上下層都鋪上相應(yīng)區(qū)域的地銅讓屏蔽墻在立體上包住模擬區(qū)。第三步把圈內(nèi)的地銅和圈外的地銅在屬性上都設(shè)置為同一網(wǎng)絡(luò)GND但物理上只依靠那個(gè)窄通道相連。這樣高頻噪聲從外往里傳導(dǎo)時(shí)會(huì)在這個(gè)窄通道上形成明顯的阻抗點(diǎn)相當(dāng)于給噪聲放了個(gè)哨卡。4.4 配合疊層與走線的細(xì)節(jié)優(yōu)化內(nèi)電層分割和屏蔽做完之后還要回到頂層底層去檢查走線和過孔的配合。幾個(gè)容易被忽略的點(diǎn)所有連接電源島的過孔應(yīng)該盡量靠近負(fù)載的電源引腳放置不要拉遠(yuǎn)了。從電源島邊緣到頂層器件的過孔連接如果有多個(gè)負(fù)載盡量用樹狀方式從島的中心區(qū)域引出避免形成長條狀的“電源尾巴”。模擬信號(hào)走線盡量短而且走線正下方的參考平面必須是完整的地島不能騎在分割溝道上。數(shù)字信號(hào)線不要穿越模擬地島區(qū)域上方如果要穿也得確保內(nèi)層有完整地平面隔開。檢查完成后跑一遍完整的DRC。嘉立創(chuàng)EDA的DRC對(duì)割銅區(qū)域的間距問題會(huì)明確報(bào)錯(cuò)如果是綠色忽略、紅色錯(cuò)誤、黃色警告要分清級(jí)別。間距相關(guān)的錯(cuò)誤必須清零再出Gerber。5. 實(shí)際操作中的避坑清單與經(jīng)驗(yàn)技巧5.1 分割不徹底電源島之間出現(xiàn)“細(xì)脖子”很多人在嘉立創(chuàng)EDA里畫電源分割區(qū)域時(shí)用了一個(gè)比較窄的銅箔連接兩個(gè)較大的電源區(qū)結(jié)果形成“細(xì)脖子”。這種細(xì)脖子會(huì)導(dǎo)致電流密度過高熱積累明顯壓降也會(huì)變大。排查方法很簡單把內(nèi)電層的銅箔顯示打開縮放查看每一塊電源區(qū)域之間的連接銅箔寬度。一般建議任何電源銅箔連接通道的最小寬度不小于2mm電流超過1A的電源路徑不小于3mm。如果發(fā)現(xiàn)自己畫的區(qū)域有細(xì)脖子直接補(bǔ)銅拓寬。5.2 鋪銅區(qū)域與過孔避讓沖突正片模式下做內(nèi)電層時(shí)鋪銅區(qū)域默認(rèn)會(huì)自動(dòng)避讓過孔。但有時(shí)候你希望某個(gè)過孔直接連接某塊銅箔而不是避讓導(dǎo)致連接失敗。這種情況在DRC里體現(xiàn)為大量的未連接引腳報(bào)告。解決辦法是在嘉立創(chuàng)EDA中對(duì)鋪銅區(qū)域使用“重新鋪銅”操作或在過孔的網(wǎng)絡(luò)屬性里確認(rèn)它屬于該電源網(wǎng)絡(luò)。如果還是避讓試著手動(dòng)把過孔移到銅箔中心或者用“縫合過孔”功能對(duì)銅皮和過孔做一次批量連接。5.3 修改網(wǎng)絡(luò)分配后鋪銅沒有更新有時(shí)候你改了某個(gè)銅皮區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)屬性但視覺上銅皮形狀沒變化網(wǎng)絡(luò)名卻變了。這時(shí)候通常是因?yàn)闆]有重新執(zhí)行“鋪銅區(qū)域重建”或“重鋪銅”。嘉立創(chuàng)EDA里快捷鍵通常是CtrlShiftR或者使用“工具”菜單里的“重鋪所有銅皮”。遇到鋪銅相關(guān)問題第一件事先重鋪所有銅皮再查看是否報(bào)錯(cuò)。5.4 隔離溝道上的信號(hào)回流這是我最想強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)電源分割最容易被忽略的副作用就是它破壞了信號(hào)回流路徑。如果信號(hào)線在頂層跨越了電源分割溝道電流必須通過內(nèi)電層下方繞行到最近的連接點(diǎn)這個(gè)繞行路徑可能增加幾倍甚至十幾倍的回流面積直接造成EMI問題。規(guī)避思路有三種一是盡量讓敏感信號(hào)走在統(tǒng)一的電源域上方二是如果必須跨域放一個(gè)0.1uF的跨接電容在兩個(gè)電源島之間三是在信號(hào)跨越的位置附近加一個(gè)GND縫合過孔縮短回流路徑。6. 常見問題快速排查表現(xiàn)象可能原因排查與解決DRC報(bào)“安全間距不足”分割溝道太窄或銅皮邊緣有毛刺檢查兩電源銅箔之間間距加大分割間隙或重新修整銅皮邊緣電源島上的過孔未連接過孔網(wǎng)絡(luò)與銅皮網(wǎng)絡(luò)不一致或銅皮自動(dòng)避讓核對(duì)過孔網(wǎng)絡(luò)屬性重新鋪銅并檢查連接鋪銅區(qū)域顯示網(wǎng)格/空隙鋪銅區(qū)域被其他圖形切割取消組合/刪除切割線重新繪制鋪銅邊界模擬區(qū)噪聲未明顯下降地屏蔽島過窄或過孔間距過大加寬地橋連接縮短屏蔽過孔間距至2mm左右內(nèi)電層只顯示一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有區(qū)域都被分配為同一網(wǎng)絡(luò)檢查每個(gè)獨(dú)立銅皮區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)屬性逐個(gè)修改修改網(wǎng)絡(luò)后銅皮無變化未重鋪銅執(zhí)行“重鋪所有銅皮”再檢查DRC這張表看起來簡單但每一個(gè)問題我在項(xiàng)目里都真實(shí)遇到過。最容易讓人崩潰的是“鋪銅區(qū)域顯示網(wǎng)格/空隙”那條有次我折騰了快一天最后發(fā)現(xiàn)是在分割區(qū)域時(shí)疊加了一條極細(xì)的Keep-Out線把銅皮內(nèi)部切出了一條看不見的縫。所以做分割操作時(shí)養(yǎng)成習(xí)慣分割用的輔助線放在專門的輔助層處理完就刪除別留在內(nèi)電層里。7. 最后再分享一點(diǎn)我的個(gè)人體會(huì)在四層板內(nèi)電層上做電源分割和信號(hào)屏蔽熟練之后并不會(huì)花太多時(shí)間但對(duì)板子性能的提升非常明顯。整層銅箔不是不能用而是你要知道它的適用邊界——如果板子電源域簡單、信號(hào)頻率不高、布局也不緊湊整層銅箔依然是最穩(wěn)妥的選擇。可一旦涉及到多電源、混合信號(hào)或者高頻電路局部優(yōu)化內(nèi)電層帶來的好處就會(huì)遠(yuǎn)超你付出的那點(diǎn)操作成本。我到現(xiàn)在還記得第一次把模擬地島和數(shù)字地用單個(gè)過孔橋接起來時(shí)同事看到原理圖還說“這樣會(huì)不會(huì)太窄了”結(jié)果實(shí)測(cè)信噪比提升了好幾個(gè)dB。技術(shù)在原理圖上無法直觀呈現(xiàn)的恰恰在PCB內(nèi)電層的細(xì)節(jié)里決定了成敗。如果你也在做類似的設(shè)計(jì)不妨拿一塊舊板子試試把內(nèi)電層重新分割一遍加上屏蔽過孔陣看看EMI測(cè)試數(shù)據(jù)和信號(hào)質(zhì)量有沒有變化。實(shí)踐一次比看十篇文章都管用。