双层 PCB（2 层板）两面铺铜的详细解析
在 双层 PCB（2-layer PCB） 设计中，通常顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer）都会铺铜，以优化信号完整性、降低电磁干扰（EMI）并增强电源稳定性。以下是双层铺铜的目的、方法和设计要点的详细解析。
1. 为什么要双面铺铜？
两面铺铜的主要作用包括：
- **提供低阻抗的地平面（GND Plane）**，减少信号回流路径长度，提高信号完整性。
- 降低电源分布网络（PDN）的阻抗，增强电源稳定性。
- **减少 EMI/EMC（电磁干扰）**，提高抗干扰能力。
- 增强散热，大面积铜皮有助于导热，降低温升。
- 加强机械强度，提高 PCB 的物理稳定性。
2. 双层 PCB 铺铜的常见方式
(1) 上层信号 + 下层整块 GND
- 适用场景：普通数字电路，低速信号（如 MCU、低速 I²C、UART）。
- 方法：
- 顶层（Top Layer）主要走信号线和电源线。
- 底层（Bottom Layer）整块铺 GND，作为完整地平面。
- 信号过孔连接至底层，保证信号回流路径最短。
- 优点：
- 提供连续的 GND 参考面，有助于降低 EMI 干扰。
- 保证信号回流路径短，减少寄生电感和信号完整性问题。
- 缺点：
- 电源（VCC）必须通过顶层走线，可能导致电源分布不均匀。
(2) 上层信号 + 下层 GND/电源混合铺铜
- 适用场景：需要更好电源完整性的场景，如带有射频（RF）、音频或模拟电路。
- 方法：
- 顶层（Top Layer）用于信号和部分电源。
- 底层（Bottom Layer）铺 GND，但局部区域也铺 VCC。
- 过孔连接 VCC 区域，降低电源阻抗。
- 优点：
- 提供一定的电源平面，减少电源噪声。
- 依然保持 GND 参考面，兼顾信号完整性。
- 缺点：
- 需要小心地避免 VCC 和 GND 交错，避免回流路径中断。
(3) 顶层和底层都铺 GND
- 适用场景：高噪声环境、高速信号（如 USB、HDMI、DDR）。
- 方法：
- 顶层和底层都铺 GND，信号主要用过孔跨层走线。
- 适用于差分信号（如 USB、HDMI）和射频（RF）设计。
- 优点：
- EMI 最低，信号完整性最佳。
- 对射频、差分信号最友好。
- 缺点：
- 需要较多过孔跳层，增加 PCB 复杂性。
3. 具体 PCB 铺铜步骤
(1) 规划 GND 和 VCC
- 确定哪一层是主要的 GND 平面（通常是底层）。
- 如果需要电源平面，在底层局部铺 VCC。
(2) 确保信号走线合理
- 关键高速信号走线（如 USB、HDMI、SPI）必须有连续的 GND 参考面。
- 低速信号（如 I²C、UART、GPIO）可以适当弯曲，但尽量减少过孔。
(3) 铺铜填充
- GND 铜皮 应该尽可能完整，避免割裂（分割导致回流路径断裂）。
- 过孔连接：GND 铜皮之间要有大量过孔（Stitching Vias），形成低阻抗路径。
- **避免“孤岛”**：如果有小块 GND 或 VCC 孤岛，尽量用过孔连接主 GND，否则删掉。
(4) 添加热过孔（Thermal Via）
- 功率器件（MOSFET、LDO、DC-DC） 底部需要铺铜，并加多个 GND 过孔，有助于散热。
- 高频信号过孔 需要对称布置，保持阻抗匹配。
4. 示例设计
示例 1：MCU 电路
| 层 | 设计内容 |
|---|---|
| 顶层（Top Layer） | 走信号线，局部铺 VCC |
| 底层（Bottom Layer） | 整块 GND 平面 |
示例 2：高速信号（USB/HDMI）
| 层 | 设计内容 |
|---|---|
| 顶层（Top Layer） | 差分信号（USB/HDMI），避免跨过分割区域 |
| 底层（Bottom Layer） | 整块 GND 平面，差分信号回流路径短 |
5. 铺铜的常见错误
❌ 错误 1：GND 被切割
如果 GND 参考面被切割，高速信号会出现 EMI 和信号完整性问题。
✅ 解决方案：
- 确保 GND 铺铜完整，避免分割。
- 重要信号走线的回流路径不能被切断。
❌ 错误 2：过孔太少，导致地回路过长
单点接地或 GND 过孔太少，会导致信号回流路径长，增加 EMI。
✅ 解决方案：
- GND 过孔应间隔 5~10mm 加一个，特别是在信号跨层时。
❌ 错误 3：电源分布不合理
电源铺铜如果被切割，可能导致某些元件供电不稳定。
✅ 解决方案：
- VCC 铺铜时注意完整性，尽量减少狭窄区域。
6. 结论
- 双层 PCB 最佳方案：
- 底层整块 GND，顶层信号 + VCC 走线
- 多个 GND 过孔，保证低阻抗连接
- 高频信号回流路径完整
- 功率器件用热过孔加强散热
- 优先确保 GND 连续性，避免割裂
- 合理使用过孔，降低 EMI，提高电源完整性
- 特殊情况下，底层可以局部铺 VCC，但需确保 GND 参考面连续
如果你是低速电路，可以简单底层铺 GND，顶层走信号；如果是高速或射频信号，需要严格考虑回流路径和 GND 连接。