pcb接地设计

工作地——信号回路的电位基准点(直流电源的负极或零伏点), 在单板上可分为数字地GNDD与模拟地GNDA。数字地连接数字元器件接地端,模拟地连接模拟元器件接地端。
理想的工作地是电路参考点的等电位平面。但在实际的设计中,工作地被作为信号电流的低阻抗回路和电源的供电回路。这样就会产生常遇到的三个问题:共模干扰、信号串扰和幅射。

共模干扰电压
 所有的导体都具有一定的阻抗,电流流经地时,同样会产生压降。流经工作地中的电流主要来自两个方面,一是信号的回流;另一个是电源的电流需要沿工作地返回。 下图表示了典型的信号和电
源共地逻辑电路PCB上共模电压的产生。其中, Vnoise 是电流流经工作地时产生的共模噪声电压。

 串扰
 PCB上相邻的印制线之间存在互感和耦合电容,当信号电压或电流随时间快速变化时,会对周围的信号产生不可忽视的串扰。图( a)是串扰的等效电路。图( b)是集
总参数下串扰( Crosstalk)与线间距D和印制线离地平面(参考平面)高度H之间的关系。

 辐射与干扰
 PCB上的快速变化的电流回路,其作用相当于小回路天线,它会向外进行电磁场幅射。图(a), 属于差模辐射方式。幅射的电场强度与回路中电流的大小Io、回路的面积A、电流的频率的二次方成正比。同理,PCB上的信号回路(小回路天线)也会接收周围快速变化的电磁场,而产生干扰电流。如图( b), 当出入PCB的电缆上存在共模电流时,会产生共模幅射。幅射的
电场强度与共模电流的大小、共模电流的频率、线的长度成正比。同时,它也会对PCB上的电路产生共模干扰。

PCB接地设计原则

 确定高di/dt 、高dv/dt电路(产生辐射)
PCB设计开始时,首先要确定电路中可能的干扰源。一般是高di/dt 、高dv/dt电路,如:时钟、总线缓冲器/驱动器、高功率振荡器。在PCB布局、布线和检查时对它们给予特别关注。
确定敏感电路(易受干扰)
确定电路中易受干扰的敏感电路,如:低电平模拟电路,高速数据和时钟。在设计时注意隔离和保护。

最小化地电感和信号回路
信号线应该尽量短,信号回路面积尽量小。对速度较高的电路应用有地平面的多层板。
关键电路包括器件和走线,应尽量远离板的边缘。板的边缘存在较强的干扰场。

地平面分割与不分割的合理应用
对于混合电路,若数字地与模拟地分割,不会出现或能够很好解决信号跨越和信号回路的问题,可以采用分割。 否则,建议采用分区但不分割的方法。即:局部和布线时严格区分数字与模拟
区域,避免数字信号与模拟信号出现公共回流路径。但地层并不分割开。避免信号跨越而形成大的信号回路。

多层板的接地设计

有完整地平面的多层板之优点

(1) 信号提供较稳定的参考电平和低电感的信号回路,使所有信号线具有确定的阻抗值;
(2) 为电路提供低电感的工作电源供电;
(3) 可以控制信号间的串扰。

信号回流

 当信号的频率较低时,信号的回流主要沿最低电阻路径,即几何最短路径,如图( a)。
当信号达到一定频率( F>1KHz)时,信号的回流集中沿最低电感路径,如图( b), 返回电流主要沿印制线的下方回流。图中的虚线表示信号的回流。

参考平面的设计
在实际的设计中,完全禁止平面分割是不现实和不经济的。 例如:
⑴ 芯片的低功耗化和单板功能的复杂化,有时一个PCB板上会有三种以上的工作电源,安排每种电源一层是不合适的,可把几种不同的电源安排在同一层面上,这样,一个层面就被不同的电源网络所分割。
⑵ 为了避免不同的电路之间的干扰,不同的电路设置不同的地平面,这样,一个层面就被不同的地平面所分割。对于数模混合电路, 根据单板电路的具体情况,可采用以下三种方式: 分割; 分割 + 桥接; 分区但
不分割。
 分割 -- 适用于数字电路与模拟电路之间没有信号联系布局时将数字电路和模拟电路分开,器件排列尽量紧凑,布线时避免数字电路的信号跨越模拟电路区域,避免模拟电路的信号跨越数字电路区域。两个区域隔离足够
的距离。数字地与模拟地分割,然后在插座处单点连接,见左图。这样能最大限度地抑制数字电路对模拟电路的干扰。

 分割 + 桥接 -- 适用于数字电路与模拟电路之间联系的信号线较少且集中分区但不分割 -- 适用于数字电路与模拟电路之间联系的信号线较多且难以集中

 分区但不分割 -- 适用于数字电路与模拟电路之间联系的信号线较多且难以集中在一块将数字电路和模拟电路分区布局,布线时避免数字电路内部的信号跨越模拟电路区域,
避免模拟电路内部的信号跨越数字电路区域。地层并不分割,是一完整的层面,保证两个电路之间联系的信号有最小的信号回路。

信号回路的桥接
当较重要的信号不得不跨越参考平面时,可以采用以下的桥接方法

(1) 跨线桥接

跨线桥接适用于信号跨越后,又能回到原来的参考平面上。线桥走在信号层,并且走线尽量地宽。

(2) 电容桥接

 当信号跨越分割后回不到原参考平面上时,可以在信号跨越处增加一个(或多个)0.01uF至1 uF的电容为信号提供回路。这种用途的电容常被形象地称为Stiching
Capacitor。桥接电容应尽量靠近(小于200mil,小于80mil时效果更佳)要保护的信号线,每个电容所保护的信号线不超过5根。如图,电容的两端分别接平面各自对应的网络。

参考平面的处理
(1) 电源平面紧靠地平面 (仅限于高频电路)
当电路的工作频率很高(如:大于100MHz)时,电源平面应该紧靠地平面,这样可以最大化电源平面与地平面的电容耦合,降低电源的噪声。
(2)多个地平面用过孔相连
当PCB中有多个地平面层时,应该在板上用较多分散的过孔将地平面连接在一起,特别在信号集中换层的地方,以便为换层的信号提供较短回路和降低辐射。如图在平面的周用过孔将地平面连接
在一起,可以有效的降低PCB对外的辐射。

 参考平面的处理(续)
(3) 条件允许时,采用20H原则
(4)加地平面作为信号隔离层
当信号层数多需要加隔离层时,宜加地平面作为隔离层,不要加电源层作为隔离层。

 在实施20H原则时,应该优先满足信号的回路最小,信号阻抗连续。即,缩进电源平面时,若相邻的信号层在电源平面边缘有走线,可以在此范围内不考虑20H原则,确
保信号不跨越,而且电源平面的边缘应该延伸出信号线位置。

5)控制好平面的延伸区域
在进行电源地平面设计时,应该控制好平面的延伸区域。避免不同类型电路的参考平面交叠,平行的带电平面之间存在电容耦合。见图,模拟电源平面Analog P和数字地平面 Digital G之间会相互耦合。见等效电路。

 PCB的叠层设计举例

 

 

 

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