3.0HUB四层板设计

本文最后更新于：2024年4月16日凌晨

成图校赛学习的四层板PCB设计！

3.0HUB板设计概述

四层板

一般pcb四层板，如下安排：顶层和底层为信号层，中间2层分别为电源层和地层。电源层与地线层在中间可以起到隔离作用，减少干扰的作用。

对于尺寸较大的pcb四层板，元器件比较宽松的PCB板也可以用两层完成，如果两层布局困难，排不开的话，容易造成干扰的，可以使用4层解决过分拥挤的困难。

不同的层叠结构有着不同的应用情景，如果器件在顶层布局或者关键信号线在顶层走线连接，GND最好放在第二层，采用层叠结构1；若器件在底层布局或者关键信号线在底层走线连接，则GND最好放在第三层，采用层叠结构2。

阻抗干扰

嘉立创阻抗计算神器

在嘉立创官网进入阻抗计算服务页面，设置参数，可以一键生成需要的线宽。

四种阻抗模式的选择：

阻抗模式

这里假设需求阻抗为90Ω，模式选择差分阻抗，阻抗层为L1，即在顶层进行走线，按照前面的层叠结构1，第二层为GND层，因此下参考层为L2，，间距按照默认8mil。

点击计算

阻抗计算

注意：线宽不能随意设置，需要考虑生产加工的限制，嘉立创多层板的最小线宽为3.5mil,还需要留有一定的余量保证生产合格率，因此嘉立创多层板的最小线宽不要小于6mil。

共面与否的区别

USB端口设计

USB接口选型：

对于TYPE-C接口类型，只有24P全功能TYPE-C才有差分数据引脚，为USB3.x及以上版本。
对于TYPE-B接口类型，外形上就比较好区分。

基于VL812的3.0HUB芯片电路设计

新建工程，命名保存之后打开电路图设计界面。

主控芯片VL812

在立创商城搜索VL812芯片，放置，点击属性查看数据手册。

通过Product Features 可以快速了解一款芯片的特性。

点击芯片，右键选择编辑符号，进入符号编辑界面。可以顺带查看每个引脚的功能。

芯片引脚符号

1号引脚SSREXT，官方实例要求连接6.04kΩ的电阻之后再接地。
31号引脚VBUSDET：检测是否存在5V电源的输入，高电平时表示存在高电平输入，低电平表示不存在。
32号-35号引脚都是用来检测过电流的，这里不需要，之间不连接。

计算晶振匹配电容：

晶振匹配电容计算公式

USB3.0差分信号极性问题

小知识：在USB3.0的SSTX信号线中，常常串联一个100NF的贴片电容，减少低频干扰，提升信号质量。
VBUS是USB接口中提供电源电压的信号线。通过VBUS，主机端可以向连接的设备提供所需的电源，使其正常工作。

TVS二极管

TVS即Transient Volatge Suppressor，中文名称：瞬态电压抑制二极管，又称雪崩击穿二极管。在通常情况下，我们称之为TVS二极管。
- 其在电路中的作用主要是保护敏感电路，免受高电压瞬变损坏的组件。其中，大部分用于端口的保护，防止端口瞬间的电压冲击造成后级电路的损坏。其中高压瞬变的主要来源是静电放电，电气快速瞬变和浪涌事件。

限流保护芯片

这里选用的是MT9700。

限流保护芯片的SET电阻选择

官方参考连接方式

螺丝

在常用库中找到螺丝，选择M3，方便后续对板子进行固定

DRC检查

检查原理图的一些问题。

原理图

PCB布局

绘制板框范围，倒圆角

嘉立创免费打板的范围是100*100(mm)，因此先把这个最大的板框范围画出来。然后点击板框，设置半径为5mm的倒圆角。

粗调元器件的布局

调整好之后，固定螺丝的位置，锁定。
四个输出接口，选择底部对齐和水平等距分布，调整好位置之后也点击锁定。
可以点击工程设计-网络,用不同的颜色区分电源线和信号线，但是注意不要弄成红色、蓝色线（容易跟切换顶层和底层时候的指示色相混淆）。

粗调布局

输出电源引脚最好都外接100nF的电容，用于滤波。
- 有多少个没有外接电容的裸露电源引脚，就放多少个100nF的滤波电容并联。
  -顶层是走高速信号线的，因此大量的滤波电容建议放在底面，就近放置，避免造成干扰。

设计规则设置

板子层数的设置

板子层数的设置：点击工具-图层管理器-铜箔层改为4
- 一般将两个内层都设置为内电层，一个用于GND层，一个用于电源层。点击应用，确认保存。
- 内层1和内层2都默认为GND网络。
阻抗计算：USB3.0一般需要控制阻抗在90欧姆左右，通过嘉立创的阻抗计算神器计算。
- USB3.0采用的差分信号线，顶层平面元器件不算拥挤，可以使用共面阻抗。因此，选择共面差分阻抗模式。
  -走线层为L1, 即顶层，参考层为GND，为L2，其余参数保持默认。
- 差分线宽为计算得到的数据。
回到编辑器页面，选择设计-设计规则
- 安全间距设为6mil,嘉立创的免费打样最低间距不要小于6mil。
  -导线线宽设为8mil，默认线宽是10，需要检查默认线宽和芯片的焊盘是否匹配，进行调整。
- 差分线宽严格按照计算数据进行设置。
- 过孔尺寸设置：内直径的最小免费尺寸为12mil,不要修改，默认为12即可。外直径进行一定的设置。
  -内电层和铺铜：均主要设置到边框/槽孔间距为40mil。

走线

先走芯片周围的杂线，再走高速信号线。

点击设计-差分对管理器，设置15组差分对高速信号线。然后选择布线-差分对布线
- 布线优先级：优先考虑SSTX和SSRX（USB3.0高速信号线），然后才是HP（USB2.0信号线）。
晶振周围需要进行包地处理。

DRC检查

内电层报错：点击内电层，重建内电层。
差分线等长调节，单边，一般最小振幅为1mil，最大振幅为24mil（3W原则）。
GND最后统一铺铜：点击放置-铺铜-矩形，将整个PCB板框起来，然后顶层和底层铺铜。
- 快捷键shift+m隐藏or展现铺铜。
- shift+b重新铺铜。
游离的铜块不利于信号传输，需要进行处理。点击放置-禁止区域-矩形
有些时候3D视角的元器件不显示，应该是嘉立创没有更新元件的3D视图，换一个商家的试试应该就可以。