了解兩層 PCB 中的接地層

2021-06-16

了解兩層 PCB 中的接地層

放置接地層和接地布線(xiàn)是兩層或多層 PCB 中最重要的兩個(gè)設計指南。正確執行此操作有助于降低對 EMI 的敏感性、抑制串擾并防止接地環(huán)路。這些噪聲源會(huì )降低信號完整性，而適當的電路板接地平面設計技術(shù)將確保您的設備發(fā)揮最佳性能。

我的兩層 PCB 需要接地層嗎？

如果您不熟悉 PCB 設計，您的第一個(gè) PCB 可能是兩層板，因為從布局和信號完整性的角度來(lái)看，它們相對容易使用。您將擁有有限的空間，因為您不會(huì )通過(guò)內部信號層路由信號。這是在確定是否包括接地平面以及將其放置在電路板上的位置時(shí)要考慮的第一點(diǎn)。大多數 PCB 設計人員會(huì )發(fā)誓使用地平面，這當然是處理高速/高頻信號時(shí)的最佳選擇。從 EMC 的角度來(lái)看，將接地層與 PCB 的信號層分離將提供一定程度的保護，防止來(lái)自外部源的輻射 EMI。

使用 2 層 PCB 接地平面也比僅布線(xiàn)接地跡線(xiàn)更可取。當高速/高頻信號通過(guò)電纜在電路板之間布線(xiàn)時(shí)，將返回跡線(xiàn)與信號跡線(xiàn)相鄰布線(xiàn)是在多板設計中最小化 EMI 敏感性的一種策略。將接地回路盡可能靠近信號線(xiàn)放置，可使回路信號緊隨跡線(xiàn)，從而最大限度地降低環(huán)路電感和 EMI 敏感性。

幾乎每塊包含多個(gè)組件的電路板都沒(méi)有足夠的空間在所有信號走線(xiàn)旁邊布置返回走線(xiàn)。在兩層 PCB 的底層放置一個(gè)地平面提供相同的效果；將接地層放置在信號走線(xiàn)下方還可以減少信號看到的環(huán)路面積。理想情況下，信號走線(xiàn)應盡可能靠近地平面，以抑制相鄰走線(xiàn)之間的串擾，這可能需要使用更薄的電路板。

在相關(guān)組件和信號走線(xiàn)下方放置接地平面還允許您通過(guò)過(guò)孔將接地回路直接從組件布線(xiàn)到接地平面。然后返回信號將沿著(zhù)阻抗最小的路徑返回到電源返回。這還允許您輕松地在關(guān)鍵組件的電源連接和接地層之間放置旁路/去耦電容器，從而允許電源連接中的任何高頻波動(dòng)（例如，來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的傳導 EMI）到達相關(guān)組件。

通過(guò)正確的布線(xiàn)和接地技術(shù)防止 EMI

地平面截面網(wǎng)格化

可以在兩層 PCB 中使用的一種技術(shù)是網(wǎng)格化，而不是在整個(gè)底層放置一個(gè)連續的接地平面。電源和接地走線(xiàn)以差分方式布線(xiàn)，模擬一對電源線(xiàn)?？梢詳U展每條接地跡線(xiàn)以盡可能多地填充空的 PCB 空間，并且所有剩余的空空間都可以用接地填充填充。這種技術(shù)將使您的 2 層板具有與四層 PBC 疊層相同的降噪水平。

另一種解決方案是在兩層上使用兩個(gè)垂直的網(wǎng)格圖案，網(wǎng)格可以在網(wǎng)格交叉的點(diǎn)與通孔連接。這可確保網(wǎng)格的所有部分保持幾乎相同的電位，并為兩層上的組件提供一些額外的空間。這種設計的一個(gè)潛在問(wèn)題是單層網(wǎng)格之間的布線(xiàn)。在這種情況下，接地跡線(xiàn)可以緊挨著(zhù)信號跡線(xiàn)布線(xiàn)，其中接地跡線(xiàn)通過(guò)過(guò)孔連接到相對層的接地部分。

與許多設計選擇一樣，網(wǎng)格化代表了一種權衡：您可以在電路板上獲得更多的空間，并可以通過(guò)創(chuàng )造性的布線(xiàn)創(chuàng )建低電感電流環(huán)路，但會(huì )失去一些由連續接地層提供的 EMI 保護。網(wǎng)格化所需的過(guò)孔還充當電感阻抗不連續性，從而產(chǎn)生高速信號的信號完整性問(wèn)題。網(wǎng)格還可以在組件周?chē)纬蓪щ娀芈?，輻?span>EMI可以在該導體回路中感應電流。更好的選擇是將組件放置在另一層接地網(wǎng)格上方的一層上。

總而言之，小心網(wǎng)格。某些設計指南將推薦在兩層板中使用網(wǎng)格作為在單層上使用連續接地平面的替代方案。對于低速/低頻信號或與機箱有足夠屏蔽的直流板，這可能沒(méi)問(wèn)題。然而，在沒(méi)有屏蔽的高速/高頻情況下或具有顯著(zhù)輻射 EMI 的環(huán)境中，犧牲電路板空間并在底層選擇連續地平面可能是更好的主意。

混合信號？在地平面中創(chuàng )建截面

一些簡(jiǎn)單的 2 層 PCB 接地平面設計可能仍需要在同一塊板上整合數字和模擬信號。最佳做法是將背面層的接地平面分成數字部分和模擬部分，但讓這兩個(gè)平面在靠近電源回路的地方連接。這可確保數字信號不會(huì )沿著(zhù)敏感模擬組件下方的返回路徑傳播。

混合信號兩層 PCB 的地平面可以有一個(gè)分隔不同部分的凹口，盡管在凹口上布線(xiàn)會(huì )為地平面中的返回信號創(chuàng )建一個(gè)非常大的返回路徑，不建議這樣做。這些走線(xiàn)將產(chǎn)生強烈輻射，并且電路將具有較大的環(huán)路電感，從而導致對輻射 EMI 的敏感性更高。完全分開(kāi)接地平面并嘗試使用鐵氧體磁珠之類(lèi)的東西使各部分具有相同的電位是一個(gè)壞主意，因為這會(huì )產(chǎn)生比它解決的更多的 EMI 和噪聲問(wèn)題。