24小時聯系電話:18217114652、13661815404
中文
技術專題
多層堆疊中的PCB接地平面最佳實踐
多層堆疊中的PCB接地平面最佳實踐
當我剛開始使用現代CAD工具進行PCB設計時，我對電路板的接地采取了相當簡單的看法。作為物理學家進入這個行業，我受過訓練，可以根據參考電勢，圖像電荷以及電磁理論中的許多其他術語來思考事物。一旦完成了生產第一塊PCB的工作，并且在設計中發現了異常的噪聲和EMI，明確定義接地的重要性就會變得更加明顯。
在堆疊中使用PCB接地層是確保電源和信號完整性以及保持EMI低的第一步。但是，關于接地層的一些錯誤說法似乎仍然存在，并且我已經看到經驗豐富的設計師在PCB布局中定義接地時會犯一些簡單的錯誤。如果您有興趣防止過多的輻射并確保布局中的信號完整性，請遵循以下簡單準則在下一塊板上實現PCB接地層。
為什么要使用PCB接地板？
在概述如何在設計中使用接地和PCB接地層之前，有一些重要的設計目標可幫助您實現接地：
明確定義的阻抗：高速/高頻互連需要具有明確定義的阻抗，以便信號可以與具有特定系統阻抗（通常為50歐姆）的其他組件連接。
返回路徑： PCB接地層為互連上的電流提供了清晰的返回路徑，該路徑以位移電流的形式在接地區域中傳播。這樣可以使環路電感較小，并確保低EMI輻射，這是在多層PCB疊層中使用接地層或接地的銅粉的主要原因。
EMI屏蔽和抑制： EMI雙向，并且設計中的接地銅可以屏蔽外部EMI源。
去耦和穩定電源：這可能是在多層PCB中使用接地層的最不為人知的原因。一對大電源平面和接地平面將充當一個大的去耦電容器，有助于保持電路板上的電源穩定。
在某些情況下，分段澆鑄而不是分流平面澆鑄銅，這可能很難滿足上面列出的設計目標。這些布線問題以及保持良好定義的接地層都會產生較大的環路電感，從而導致EMI。
|
特征 |
問題 |
解決方案 |
|
在地平面中的分割上布線 |
創建具有高環路電感的長返回路徑→強大的EMI和串擾 |
保持均勻的接地層，并盡量減少分裂，并跟蹤電路板上的返回路徑 |
|
沒有均勻平面的銅澆注區域 |
使返回路徑難以跟蹤并導致阻抗定義不正確 |
將各區域綁扎在一起，并用銅澆鑄填充空隙，僅在均勻區域上走 |
|
電源導軌和地面之間的重疊很小 |
在高速板上，由于平面間電容低，這將產生弱的去耦 |
確保電源和接地層重疊并跨整個板 |
請注意，即使您的接地平面均勻，如果系統的布局不緊湊，仍會形成較長的返回路徑。無需在整個板上形成鋸齒狀的走線，而在這種情況下，具有統一的接地層將無法解決EMI問題。
如何處理多個地面參考
很多時候，原理圖中會有兩個不同的接地網，然后將它們復制到PCB上。作為一個示例，這在電隔離功率轉換器（例如，諧振LLC轉換器）和許多工業以太網設計中很常見，在這些設計中，系統的高/低壓側或數字/模擬側具有自己的接地區域。然后將接地區域通過0歐姆的電阻器或電容器彼此綁在一起。
如果您的電路板需要多個接地，則您的PCB布局和布線策略現在需要考慮您的真實接地基準在哪里以及返回電流如何傳播到基準網中。這與上表中的第1點和第2點有關，看到經驗豐富的設計師遵循過時的設計實踐會產生EMI問題，這仍然很常見：將接地層分成多個澆鑄銅區域。用這種方法將PCB接地層分開，很難定義清晰的返回路徑，從而導致較大的環路電感，不正確的阻抗和輻射EMI。
分裂的理由和不應該做的事
考慮下面顯示的示例布局。在此示例中，我們有兩個接地區域，它們在頂層物理隔離。在第3層上有縫合過孔將GND區域綁回到相同的多邊形上，在第2層上還有其他低速信號。
PCB地平面設計示例，我們需要固定單獨的平面。
綠色組件是USB接口，藍色組件是連接GND和SGND區域的電容器。如果我們要處理較慢的信號，則在EMI方面可能會很好，因為這種特殊布置中的寄生環路電感不是很大。由于我們正在處理USB，因此最好安全地使用USB，并在這些區域下方放置均勻的接地層。在銅澆注中，在此間隙以下缺少接地層會產生差分阻抗不連續性，并導致通過電容器的返回路徑過長。該返回路徑將具有較高的環路電感，從而導致更大的EMI和串擾。
就我個人而言，我不會擔心電容器，也不會將接地區域完全分開，除非在這種類型的系統中存在某些隔離的原因（例如，低壓區域與高壓區域，操作員安全問題，某些行業）標準等）。除非需要電流隔離并且不設計高速返回路徑，否則應僅使用統一的接地層。也可以在整個表層上倒入地面，然后將其綁回到主PCB接地層。您將消除在接地平面上的間隙中布線時會看到的輻射EMI問題，并確保表面層上不同信號之間具有高度隔離。
總之，當您需要提供清晰的返回路徑時，請使用PCB接地層，并且不要在接地層中放置縫隙和間隙以創建具有不同組件塊的區域。需要一些技巧來確保PCB不同部分之間的返回路徑不會重疊并產生串擾
如果出于某種原因必須在不同的接地區域使用星形接地策略，則在任何情況下都不要在不同接地平面區域之間的無接地區域上開始路由數字信號。這是強輻射EMI和EMC測試失敗的秘訣。