布局中最好的PCB接地技術(shù)

2021-09-15

布局中最好的PCB接地技術(shù)

當應用于電路板設計時(shí)，這句話(huà)具有堅實(shí)的基礎和精心設計的PCB接地系統的雙重含義。在電子領(lǐng)域，良好的供電網(wǎng)絡(luò )依賴(lài)于強大的接地系統，為電路板提供堅實(shí)的基礎。

現代高速電子設備需要精心設計的地面系統才能以最佳性能運行。如果在實(shí)施PCB接地時(shí)沒(méi)有適當注意，電路板可能會(huì )遇到許多不同的噪聲和電磁干擾 (EMI) 問(wèn)題。以下是有關(guān)PCB接地技術(shù)的一些其他詳細信息，它們應該有助于您進(jìn)行下一個(gè)電路板設計。

PCB接地技術(shù)——不僅僅是簡(jiǎn)單地布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

PCB設計中的接地網(wǎng)在外觀(guān)上可能具有欺騙性。是的，有很多連接，但由于大多數設計在其層堆疊中都有一個(gè)或多個(gè)地平面，您只需添加一個(gè)接地過(guò)孔，工作就完成了。對？從技術(shù)上講，這是正確的，但實(shí)際上，要構建良好的供電網(wǎng)絡(luò )，還需要更多的東西進(jìn)入PCB接地技術(shù)。

電路板需要精心設計的供電網(wǎng)絡(luò )(PDN) 來(lái)為設計中的所有組件提供清潔電源。否則，電路板可能會(huì )遇到不同的電源完整性問(wèn)題，這些問(wèn)題表現在以下方面：

PDN 噪聲會(huì )導致電壓電平不一致。

由于電壓不足導致電路故障。

PDN 產(chǎn)生的串擾導致信號誤解。

通過(guò)電路板輻射的 EMI。

電路板設計人員必須為最佳供電網(wǎng)絡(luò )布置 PDN，以避免這些問(wèn)題。

接地策略

首要決定之一將是決定接地策略是什么。低頻應用有時(shí)會(huì )使用單點(diǎn)或“星形”接地技術(shù)，其中不同的接地僅在電路板上的一個(gè)點(diǎn)連接在一起。高頻電路板將使用多接地策略，其中電路板上的所有接地連接通過(guò)低阻抗連接共享同一平面。這種技術(shù)的縮短連接有助于減少可能在更高頻率下產(chǎn)生的 EMI。

參考平面

PCB接地技術(shù)的另一個(gè)重要方面是如何配置參考平面。信號將使用其可用的最簡(jiǎn)單和最低阻抗的路徑作為返回路徑，理想情況下將是為其準備的接地層。PCB設計人員必須為其布局配置足夠的參考平面和清晰的返回路徑，以防止信號四處游蕩并產(chǎn)生額外的噪聲和干擾。接下來(lái)，我們將在研究高速設計中的PCB接地技術(shù)時(shí)更多地研究參考平面。

像這樣的屏蔽區域充分利用了電路板中設計的PCB接地技術(shù)

高速設計中的電源完整性

為您的高速電路設置最佳接地策略的第一部分是正確設置板層堆疊。顯然，必須考慮制造和裝配方面的問(wèn)題，這就是為什么最好在開(kāi)始布局之前與您的制造商合作以選擇最佳材料。您將需要設置帶狀線(xiàn)層配置并針對要布置的不同類(lèi)型的電路適當地劃分設計。

接下來(lái)是元件放置。放置高速元件有許多規則，包括遵循信號路徑并為逃逸孔留出足夠的空間以及部件之間的密集總線(xiàn)布線(xiàn)。對于接地，您需要盡可能靠近電源和接地連接放置旁路電容，并使用短的直接走線(xiàn)和過(guò)孔將它們路由到接地層。您還需要確保您的部件放置不會(huì )無(wú)意中允許走線(xiàn)穿過(guò)平面分割（如下圖所示）。您還需要放置零件以避免電路的其他區域，例如模擬或電源分區。

設計電路板的目標之一是以盡可能具有最佳信號完整性的方式對其進(jìn)行布局。您已經(jīng)為帶狀線(xiàn)布線(xiàn)設置了板層堆疊配置，您必須在這些接地層之間布線(xiàn)阻抗控制網(wǎng)絡(luò )。成功的傳輸線(xiàn)布線(xiàn)取決于那些與參考接地平面耦合的跡線(xiàn)，以獲得更清晰和不間斷的信號返回路徑。這些平面還有助于屏蔽高速電路免受內部和外部 EMI 源的影響，接地平面還有助于屏蔽高速電路可能產(chǎn)生的任何 EMI。

電路板中的分裂平面可用于電源或接地網(wǎng)絡(luò )

電源布局

許多高速設計的一般規則也適用于如何布置電源電路。例如，短路和直接布線(xiàn)在這些電路中也很重要。以下是您在設計時(shí)應考慮的電源布局建議：

組件放置：電源組件需要彼此靠近以限制它們在布線(xiàn)中可能產(chǎn)生的噪聲量。您仍然需要注意制造商的可制造性規則設計，但讓這些部件盡可能靠近。這將允許您保持走線(xiàn)短。此外，請確保不要將您的電源組件放置在高速數字路由區域。保持電路的不同區域彼此分開(kāi)。

走線(xiàn)：電源走線(xiàn)越短，線(xiàn)路中積聚的電感就越少，有助于減少電路產(chǎn)生的噪聲量。您還必須使用足夠寬的走線(xiàn)來(lái)處理電路的電流，而不會(huì )冒走線(xiàn)燒穿的風(fēng)險。

信號和電源完整性：盡可能使用實(shí)心平面進(jìn)行PCB接地，而不是使用走線(xiàn)對其進(jìn)行布線(xiàn)。這將有助于信號和電源完整性以及更高電流的熱管理。此外，確保接地層足夠大以包含電源電路中的所有組件。這將為 EMI 問(wèn)題增加另一層保護。

在您的電路板設計中創(chuàng )建最佳 PCB接地技術(shù)需要您進(jìn)行大量工作，但幸運的是，PCB設計 CAD 工具中的許多實(shí)用程序可以提供幫助。

設計規則和約束，例如在 Allegro 的約束管理器中，可以幫助 PCB接地

如何使用您的設計工具

將最好的 PCB接地技術(shù)設計到電路板的 PDN 中將需要許多不同的走線(xiàn)寬度和間距尺寸，以及各種組件間隙規則。除非您使用 CAD 系統的設計規則和約束，否則很難跟蹤所有這些值。在上圖中，您可以看到如何使用 Cadence 的 Allegro PCB編輯器中的約束管理器為電源網(wǎng)絡(luò )設置不同的設計規則。以同樣的方式，您可以使用約束管理器來(lái)設置接地網(wǎng)的走線(xiàn)寬度和間距以及用于放置零件的組件到組件間隙值。此類(lèi)功能可幫助您避免因電源走線(xiàn)太窄或空間不符合正確爬電距離和間隙要求而導致的潛在問(wèn)題。