pcb接地設計


工作地——信號回路的電位基准點(直流電源的負極或零伏點), 在單板上可分為數字地GNDD與模擬地GNDA。數字地連接數字元器件接地端,模擬地連接模擬元器件接地端。
理想的工作地是電路參考點的等電位平面。但在實際的設計中,工作地被作為信號電流的低阻抗回路和電源的供電回路。這樣就會產生常遇到的三個問題:共模干擾、信號串擾和幅射。

共模干擾電壓
 所有的導體都具有一定的阻抗,電流流經地時,同樣會產生壓降。流經工作地中的電流主要來自兩個方面,一是信號的回流;另一個是電源的電流需要沿工作地返回。 下圖表示了典型的信號和電
源共地邏輯電路PCB上共模電壓的產生。其中, Vnoise 是電流流經工作地時產生的共模噪聲電壓。

 

 串擾
 PCB上相鄰的印制線之間存在互感和耦合電容,當信號電壓或電流隨時間快速變化時,會對周圍的信號產生不可忽視的串擾。圖( a)是串擾的等效電路。圖( b)是集
總參數下串擾( Crosstalk)與線間距D和印制線離地平面(參考平面)高度H之間的關系。

 

 輻射與干擾
 PCB上的快速變化的電流回路,其作用相當於小回路天線,它會向外進行電磁場幅射。圖(a), 屬於差模輻射方式。幅射的電場強度與回路中電流的大小Io、回路的面積A、電流的頻率的二次方成正比。同理,PCB上的信號回路(小回路天線)也會接收周圍快速變化的電磁場,而產生干擾電流。如圖( b), 當出入PCB的電纜上存在共模電流時,會產生共模幅射。幅射的
電場強度與共模電流的大小、共模電流的頻率、線的長度成正比。同時,它也會對PCB上的電路產生共模干擾。

 

PCB接地設計原則

 確定高di/dt 、高dv/dt電路(產生輻射)
PCB設計開始時,首先要確定電路中可能的干擾源。一般是高di/dt 、高dv/dt電路,如:時鍾、總線緩沖器/驅動器、高功率振盪器。在PCB布局、布線和檢查時對它們給予特別關注。
確定敏感電路(易受干擾)
確定電路中易受干擾的敏感電路,如:低電平模擬電路,高速數據和時鍾。在設計時注意隔離和保護。

 

最小化地電感和信號回路
信號線應該盡量短,信號回路面積盡量小。對速度較高的電路應用有地平面的多層板。
關鍵電路包括器件和走線,應盡量遠離板的邊緣。板的邊緣存在較強的干擾場。

 

地平面分割與不分割的合理應用
對於混合電路,若數字地與模擬地分割,不會出現或能夠很好解決信號跨越和信號回路的問題,可以采用分割。 否則,建議采用分區但不分割的方法。即:局部和布線時嚴格區分數字與模擬
區域,避免數字信號與模擬信號出現公共回流路徑。但地層並不分割開。避免信號跨越而形成大的信號回路。

 

多層板的接地設計

有完整地平面的多層板之優點

(1) 信號提供較穩定的參考電平和低電感的信號回路,使所有信號線具有確定的阻抗值;
(2) 為電路提供低電感的工作電源供電;
(3) 可以控制信號間的串擾。

 

信號回流

 

 當信號的頻率較低時,信號的回流主要沿最低電阻路徑,即幾何最短路徑,如圖( a)。
當信號達到一定頻率( F>1KHz)時,信號的回流集中沿最低電感路徑,如圖( b), 返回電流主要沿印制線的下方回流。圖中的虛線表示信號的回流。

 

參考平面的設計
在實際的設計中,完全禁止平面分割是不現實和不經濟的。 例如:
⑴ 芯片的低功耗化和單板功能的復雜化,有時一個PCB板上會有三種以上的工作電源,安排每種電源一層是不合適的,可把幾種不同的電源安排在同一層面上,這樣,一個層面就被不同的電源網絡所分割。
⑵ 為了避免不同的電路之間的干擾,不同的電路設置不同的地平面,這樣,一個層面就被不同的地平面所分割。對於數模混合電路, 根據單板電路的具體情況,可采用以下三種方式: 分割; 分割 + 橋接; 分區但
不分割。
 分割 -- 適用於數字電路與模擬電路之間沒有信號聯系布局時將數字電路和模擬電路分開,器件排列盡量緊湊,布線時避免數字電路的信號跨越模擬電路區域,避免模擬電路的信號跨越數字電路區域。兩個區域隔離足夠
的距離。數字地與模擬地分割,然后在插座處單點連接,見左圖。這樣能最大限度地抑制數字電路對模擬電路的干擾。

 

 分割 + 橋接 -- 適用於數字電路與模擬電路之間聯系的信號線較少且集中分區但不分割 -- 適用於數字電路與模擬電路之間聯系的信號線較多且難以集中

 

 分區但不分割 -- 適用於數字電路與模擬電路之間聯系的信號線較多且難以集中在一塊將數字電路和模擬電路分區布局,布線時避免數字電路內部的信號跨越模擬電路區域,
避免模擬電路內部的信號跨越數字電路區域。地層並不分割,是一完整的層面,保證兩個電路之間聯系的信號有最小的信號回路。

 

信號回路的橋接
當較重要的信號不得不跨越參考平面時,可以采用以下的橋接方法

(1) 跨線橋接

 

 

跨線橋接適用於信號跨越后,又能回到原來的參考平面上。線橋走在信號層,並且走線盡量地寬。

(2) 電容橋接

 

 當信號跨越分割后回不到原參考平面上時,可以在信號跨越處增加一個(或多個)0.01uF至1 uF的電容為信號提供回路。這種用途的電容常被形象地稱為Stiching
Capacitor。橋接電容應盡量靠近(小於200mil,小於80mil時效果更佳)要保護的信號線,每個電容所保護的信號線不超過5根。如圖,電容的兩端分別接平面各自對應的網絡。

 

參考平面的處理
(1) 電源平面緊靠地平面 (僅限於高頻電路)
當電路的工作頻率很高(如:大於100MHz)時,電源平面應該緊靠地平面,這樣可以最大化電源平面與地平面的電容耦合,降低電源的噪聲。
(2)多個地平面用過孔相連
當PCB中有多個地平面層時,應該在板上用較多分散的過孔將地平面連接在一起,特別在信號集中換層的地方,以便為換層的信號提供較短回路和降低輻射。如圖在平面的周用過孔將地平面連接
在一起,可以有效的降低PCB對外的輻射。

 

 參考平面的處理(續)
(3) 條件允許時,采用20H原則
(4)加地平面作為信號隔離層
當信號層數多需要加隔離層時,宜加地平面作為隔離層,不要加電源層作為隔離層。

 

 在實施20H原則時,應該優先滿足信號的回路最小,信號阻抗連續。即,縮進電源平面時,若相鄰的信號層在電源平面邊緣有走線,可以在此范圍內不考慮20H原則,確
保信號不跨越,而且電源平面的邊緣應該延伸出信號線位置。

5)控制好平面的延伸區域
在進行電源地平面設計時,應該控制好平面的延伸區域。避免不同類型電路的參考平面交疊,平行的帶電平面之間存在電容耦合。見圖,模擬電源平面Analog P和數字地平面 Digital G之間會相互耦合。見等效電路。

 

 PCB的疊層設計舉例

 

 

 

 

 

 

 


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