文档介绍：2018/6/13
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PCB的接地设计要求
PCB的接地设计,首先应根据设备系统总的接地设计方案,如:单板上的保护地、屏蔽地、工作地(包括数字地和模拟地)等如何与背板连接,背板上的这些地又如何与系统的各种地汇接,在PCB上落实系统接地方案对PCB板的接地设计要求。
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工作地
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。
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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。
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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。
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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。
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PCB接地设计原则
共模干扰、串扰和幅射干扰都与PCB的接地设计有密切的关系。一个好的设计可以有效控制信号回路的阻抗和回路面积,以及干扰电流的幅度。
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。
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PCB接地设计原则(续)
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。
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PCB接地设计原则(续)
接口地保持“干净”, 使噪声无法通过耦合出入系统
出入PCB板信号,特别是通过电缆连接的信号易将噪声耦合出入
系统,注意保持I/O地不受到共模干扰。接口部分的电源地尽量采
用平面。
电路合理分区,控制不同模块之间的共模电流
对于纯数字电路,应该注意按电路工作速率高、中、低以及I/O
进行分区。以减少电路模块之间的共模电流。
贯彻系统的接地方案
PCB上的接地设计,应该符合设备系统的总接地方案。
特别是单板、背板,以及与机框机架需要搭接的地方,PCB上应
该备有系统要求的安装孔、喷锡或采用其它镀层的导电接触面。
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双面板接地设计
梳形电源、地结构
* 任何电路都不宜直接采用梳形的地结构,由图可以看出信号的回流都必须折回根部,回路面积大。但只要对较重要的信号加以地保护,布线完成之后将空的地方都敷上地铜皮,并用多个过孔将两层的地连接在一起,这个缺陷可以得到弥补。这种结构只适用于低速电路,PCB上信号的走向较单一,而且走线密度较低的情况。
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双面板接地设计(续)
栅格形地结构
* 栅格形地结构,电源和地分别从PCB的顶层和底层,以正交方式引出,在电源和地交叉