如何減少 PCB組裝中的地彈

2021-10-28

如何減少 PCB組裝中的地彈

地彈是PCB組件中的噪聲源。防止這種情況很重要，因為它會(huì )中斷高速或高頻操作。接地反彈的主要原因是電路上不同點(diǎn)的接地電位差。

噪聲是任何電路中都不需要的元素。因此，在電路板設計中，會(huì )考慮所有可能的噪聲源并實(shí)施所需的解決方案。地彈是這些噪聲源之一。在組裝過(guò)程中，所有組件和走線(xiàn)都接地。由于某些差異，電路中各個(gè)接地點(diǎn)之間可能存在電位差。在本文中，我們將幫助您了解地彈的原因、影響和預防技巧。

PCBA中的地彈是什么？

電路板組件上的所有接地點(diǎn)都應該處于相同的電位。由于某些原因，單板接地參考點(diǎn)的電壓會(huì )出現波動(dòng)。這種現象稱(chēng)為地彈。

理想情況下，對于安裝在板上的 IC 封裝：

實(shí)際上，這些潛在的差異并不總是相同的。在我們詳細解釋造成這種差異的原因之前，讓我們先看看電子組件接地的有效方法。

如何正確接地電路板？

在變電站和傳輸設備等大型電氣系統中，電流的返回路徑直接連接到物理接地。這種方法稱(chēng)為直接接地。然而，許多電子電路缺乏這種規定。汽車(chē)或航天器中的電路板組件與物理接地隔離。因此，為了提供電流返回路徑，設計人員使點(diǎn)或平面保持在地電位。這種方法稱(chēng)為間接接地。

電路板中不同類(lèi)型的接地是：

底盤(pán)接地

連接到設備金屬外殼的公共接地點(diǎn)稱(chēng)為機箱接地。PCB上的所有接地點(diǎn)都聚集在一起在這一點(diǎn)上連接。它為設備提供電擊保護和物理屏蔽。該接地可防止電流流過(guò)機箱的整個(gè)表面區域。因此，不會(huì )形成引起 EMF 的接地回路。

信號地

信號地是板上測量信號的一個(gè)點(diǎn)。該參考點(diǎn)通常位于電路板表面并連接到內部接地平面?？梢栽谛盘柦拥攸c(diǎn)上注入噪聲。這就是為什么這些點(diǎn)被放置在 PCB本身上而不是隔離到不同的位置。

對于處理精確低電壓（如醫療PCB）的電路板，更清潔的信號接地是一個(gè)重要參數。在這些電路板中，即使是很小的噪聲信號也會(huì )產(chǎn)生信號完整性問(wèn)題。

同一電路板的模擬和數字部分允許共享相同的信號地。

地平面

接地層是保持在 0V 電位的PCB疊層上的一層。它充當參考平面和通過(guò)電路板循環(huán)的返回電流的匯。來(lái)自表面的信號接地點(diǎn)通過(guò)過(guò)孔連接到接地層。接地層提供有效的信號返回、電壓返回，并減少噪聲和干擾。保持地平面連續是一個(gè)很好的做法。這將避免形成提供替代電流返回路徑的接地回路，從而中斷操作。

大地

接地是從電路到物理接地的直接連接。這種接地在電子電器中很突出。電氣互連中的短路或與設備底盤(pán)/覆蓋物接觸的帶電組件是危險的。操作人員接觸底盤(pán)會(huì )觸電。因此，所有高壓電路都需要接地。

什么導致接地回路？

接地回路是由整個(gè)電路的接地電位差引起的多個(gè)電流返回路徑。因此，電流通過(guò)比所需路徑更短的其他路徑循環(huán)。理想情況下，PCB組件上的所有接地點(diǎn)和平面都應具有相同的電位。但在實(shí)際場(chǎng)景中，將 IC 連接到電路板的引線(xiàn)中存在電感。該電感會(huì )產(chǎn)生小電壓降并成為接地反彈的原因。

感應寄生電感的值非常小，但對于晶體管等器件來(lái)說(shuō)是不可忽視的。這些器件是由邏輯門(mén)構成的高速開(kāi)關(guān)電路。晶體管的信號電壓在高 1 和低 0 之間切換。

當IC電壓為1時(shí)，表示輸出電壓接近V CC 。同樣，如果電壓為 0，則表明輸出電壓正在接近地電位（0V）。由于上述電感，接地電壓開(kāi)始波動(dòng)或反彈至 0V 以外的其他值。這就是地面彈跳背后的原因。

地彈導致電路將低 (0) 誤解為高 (1)。因此，整個(gè)電路板上的數字邏輯器件的操作都會(huì )受到影響。

除了對操作的影響外，地彈被認為是 PCBA 上的噪聲。因此它降低了信號完整性。因此，設計師采取必要的指導方針來(lái)消除地面彈跳。

地彈是如何產(chǎn)生的？

使用下面給出的電路也可以清楚地解釋地彈的產(chǎn)生。

用于說(shuō)明地彈的模型電路

該圖顯示了一個(gè)將 CMOS 連接到具有 C L電容和 R L電阻的輸出負載的電路。其他參數如下：

L A : 封裝電源引線(xiàn)中的固有電感

L B : 封裝輸出引線(xiàn)中的本征電感

L C : CMOS 封裝接地引線(xiàn)中的本征電感

R 1 : CMOS IC的輸出電阻

現在讓我們假設輸出從高 (1) 變?yōu)榈?span> (0) 的場(chǎng)景。在這種情況下，電流從負載側流出，負載電容放電。該電流 (I) 流過(guò)電感 LB 和 LC 會(huì )產(chǎn)生電壓 V = L(dv/dt)。這種產(chǎn)生的電壓導致內部 CMOS 地電位與外部負載地電位不同。因此，與外部接地的零電位相比，內部參考接地處于更高的電位。這種差異表現為電路中的噪聲，并影響電路中開(kāi)關(guān)器件的操作。

通過(guò)示波器觀(guān)察到的電路的地彈振蕩如下所示。

地彈波形

頂部波形代表開(kāi)關(guān)器件 I/O 引腳的輸出。底部波形顯示由于地彈引起的尖峰（噪聲）。

如何減少地彈

PCB設計人員一直在尋找減少地彈的技巧。最常用的方法是在電路上放置一個(gè)旁路電容。旁路電容器有效地繞過(guò)電壓尖峰和電源噪聲。它連接在IC 封裝的 V CC和 GND 引腳之間。

旁路電容有什么作用？

電容器在交流和直流電路中的行為不同。在直流電路中，它被充電到電源電流，然后完全阻止電流流動(dòng)。在交流電路中，它為瞬態(tài)信號到地提供了一條簡(jiǎn)單的路徑。因此，作為瞬態(tài)信號的地彈或噪聲被直接旁路到地。直流信號將被電容器阻擋，因此流經(jīng)電路并刺激操作。

使用旁路電容器消除噪音

電容器設計參數

引線(xiàn)電感是一個(gè)關(guān)鍵因素

多層陶瓷片式電容器（MLCC）是常用的

最大電容器電流取決于最大脈沖壓擺率

從低到高切換時(shí)消耗的電流量

旁路電容應該放在PCB的什么位置？

旁路電容器盡可能靠近組件的電源引腳放置。該電容器充當晶體管等開(kāi)關(guān)組件的本地電荷存儲。額外的電壓尖峰存儲在這個(gè)電容器中，而不是通過(guò)電路循環(huán)。

因此，所有接地點(diǎn)將處于相同電位，不會(huì )出現地彈噪聲。以下是與旁路電容器相關(guān)的更多設計指南：

使用寬和短的走線(xiàn)和過(guò)孔將旁路電容焊盤(pán)連接到電源和接地引腳。這最大限度地減少了電感并改善了電流。

集成 SMD 電容器。

添加靠近電容器焊盤(pán)的過(guò)孔。

旁路電容和去耦電容有什么區別？

電容器被廣泛用作旁路和去耦元件。這些術(shù)語(yǔ)在電路板設計中極為常見(jiàn)，因此讓我們來(lái)看看兩者之間的區別。

旁路電容	去耦電容
將噪聲信號旁路到地面	將兩個(gè)電路彼此分開(kāi)
放置在電源電壓和接地引腳之間	與電源和負載并聯(lián)放置
將交流信號短接到地	為高頻信號創(chuàng )建低阻抗路徑

減少地彈的布局設計規則

在設計允許的情況下，盡可能使用焊盤(pán)內過(guò)孔。

減少信號返回路徑距離。減小的距離將減小寄生電容。為此，最好將組件放置在其接地點(diǎn)正上方。

不要使用插座或繞線(xiàn)板。

切勿共用接地過(guò)孔或走線(xiàn)進(jìn)行接地連接。建議使用單獨的過(guò)孔和走線(xiàn)連接到地平面。

推薦的接地連接

不要將電容器直接連接到輸出。

實(shí)施低壓差分信號 (LVDS) 作為 I/O 標準。該標準提供高帶寬和高抗噪性。

選擇短引線(xiàn)封裝以降低串聯(lián)電感。也推薦使用BGA。

使用實(shí)心地平面來(lái)減少 IR 損耗和電感。避免接地分離平面。

如果設計允許，盡量使用較低的開(kāi)關(guān)元件。

地彈減少技術(shù)可實(shí)現更好的信號完整性。這些方法消除了電路中的所有瞬態(tài)噪聲，從而提高了效率。我們希望本文能幫助您更接近完美的無(wú)噪聲電路板設計。如果您有任何疑問(wèn)，請在評論部分告訴我們。