PCB設計中的接地和電壓布線(xiàn)注意事項

2020-04-11

將電源線(xiàn)插入墻上插座或打開(kāi)電燈開(kāi)關(guān)非常容易，您可能會(huì )認為將PCB板上的組件連接到電源或接地也很容易。說(shuō)實(shí)話(huà)，PCB設計曾經(jīng)是這種情況。在信號和電源完整性不是很重要的板上，您可以將過(guò)孔放到電源或接地層中，而不必理會(huì )。

然而，根據當今電子產(chǎn)品的設計要求，管理電源分配網(wǎng)絡(luò )有很多事情，而不僅僅是在設計中添加一些過(guò)孔。您需要考慮PDN對電路板其余部分的影響，同時(shí)仍要確保設備可以使用適當的電源和接地網(wǎng)。這需要您的電路板的接地和電壓布線(xiàn)方面的技巧，我們在這里有一些想法可以提供幫助。

PCB板上的接地和電壓布線(xiàn)

盡管當今密集的多層板普遍用于先進(jìn)的電子設備，但仍然需要便宜的兩層板。對于不需要太多電路的設備（例如玩具或其他簡(jiǎn)單的消費類(lèi)產(chǎn)品），仍然首選兩層板以減少制造時(shí)間和成本。但是，與此同時(shí)，這些電子設備的性能仍在不斷提高，這需要對電路板的供電網(wǎng)絡(luò )的設計進(jìn)行更多的努力。

僅需使用兩層，就不會(huì )有可用于電源和接地層的內部層，因此您將必須路由電源。建議在大多數應用中，設計人員使用可能的最小走線(xiàn)寬度，并且仍然可以以低廉的價(jià)格制造。通常這最終是信號的6百萬(wàn)跡線(xiàn)，功率的20百萬(wàn)跡線(xiàn)。請記住，功率的走線(xiàn)寬度與電流成正比-如果電流增加，走線(xiàn)寬度就會(huì )增加，反之亦然。  

布線(xiàn)時(shí)，應將信號和電源布線(xiàn)放在頂層，并在底層保留返回路徑。最簡(jiǎn)單的方法是將底層專(zhuān)用為堅固的接地平面。您可能最終不得不使用某些底層進(jìn)行信號路由，但是如果要確保為信號返回維護清晰的路徑。

使用底層接地還可以幫助您解決噪聲和其他信號完整性問(wèn)題，但同時(shí)也會(huì )占用大量空間。因此，重要的是仔細規劃頂層的電源布線(xiàn)，以確保電源在整個(gè)板上的分布均勻。 

您還需要計劃信號路由，以使敏感走線(xiàn)不會(huì )離電源走線(xiàn)太近。請記住，僅因為兩層板的制造成本較低，并不能使其更容易設計。實(shí)際上，您可能會(huì )發(fā)現，設計具有布線(xiàn)的電源走線(xiàn)的兩層板比您預期的要困難得多。

如果您希望為電路板布局的更大布線(xiàn)考慮做更多準備，請閱讀我們有關(guān)PCB布線(xiàn)的出色電子書(shū)。它提供以下方面的見(jiàn)解：

信號或關(guān)鍵區域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )管理策略

通過(guò)使用

管理堆棧注意事項

如果要處理特別密集或極具挑戰性的電路板布局，則可能需要刷新或重新考慮。 

從組件到電源和地面的連接

無(wú)論您的電源和地面是通過(guò)走線(xiàn)，通過(guò)星型連接進(jìn)行電源信號布線(xiàn)還是通過(guò)實(shí)體平面進(jìn)行布線(xiàn)，您仍然都需要將組件連接到它。盡管信號返回路徑的接地連接不需要比常規信號走線(xiàn)更多的金屬，但是傳導大電流的連接需要更多的金屬。不利的一面是金屬充當散熱器，因此可能在制造過(guò)程中引起焊接問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在將組件引腳連接到電源和接地時(shí)使用散熱片非常重要。

散熱是將一部分金屬從與銷(xiāo)的連接處移除的方式，目的是降低其導熱能力。如果沒(méi)有散熱，則焊接引腳所需的熱量將很容易被金屬平面吸收，而不是停留在需要的引腳上。

在PCB設計中，您將看到表面貼裝和通孔組件引腳上的散熱片變化：

SMT引腳： 

如果將SMT引腳連接到具有大面積金屬的電源或接地，則可能導致它們與連接較少金屬的引腳之間發(fā)生熱不平衡。在較小的兩腳離散零件中，這種不平衡可能導致被稱(chēng)為“ 墓碑 ” 的情況。這是一個(gè)引腳上的焊料回流速度比另一引腳快的地方，并將該部件向上拉并遠離另一引腳。

當將分立的SMT引腳連接到接地或電壓布線(xiàn)時(shí)，一般使用足夠寬的走線(xiàn)寬度以滿(mǎn)足電流需求，以提供散熱。這將有助于使器件的兩個(gè)引腳保持熱平衡。 

小離散零件的另一個(gè)問(wèn)題是將一個(gè)引腳放置在大面積的金屬上。盡管這提供了很好的電氣性能，但它也表現為巨大的散熱器，與另一個(gè)引腳產(chǎn)生了很多熱失衡。滿(mǎn)足電氣設計和PCB制造需求的實(shí)踐是將SMT引腳連接到多條走線(xiàn)或“紐帶”。這為SMT引腳提供了焊接所需的散熱。

通孔銷(xiāo)： 

通孔引腳與電源和接地走線(xiàn)的連接通常與其他任何走線(xiàn)一樣，都需要直接從走線(xiàn)到引腳的焊盤(pán)進(jìn)行連接。如果走線(xiàn)比焊盤(pán)寬，或者有金屬填充區域（例如電源或接地層），則需要使用散熱墊. 

這些散熱裝置可提供足夠數量的金屬來(lái)傳導電流，但會(huì )減少金屬平面會(huì )從引腳拉出的熱量。

電源和地平面的優(yōu)缺點(diǎn)

如果要設計多層電路板，則可能需要為專(zhuān)用電源和接地層配置板層堆疊。使用飛機的很大優(yōu)勢在于，它提供了一種將組件連接到電源和接地的簡(jiǎn)便方法，而無(wú)需像在兩層板上那樣通過(guò)寬走線(xiàn)布線(xiàn)。在設計中使用接地層還可以為您帶來(lái)許多其他好處，包括：

返回路徑：信號將從其源傳播到目的地，然后需要返回其源。如果沒(méi)有清晰的返回路徑，它們在周?chē)腔矔r(shí)會(huì )產(chǎn)生很多噪聲，這可能會(huì )影響其他電路。接地平面將提供該簡(jiǎn)單的返回路徑。

屏蔽：接地層將幫助屏蔽敏感電路，使其免受外部電磁干擾（EMI）的影響，并使內部產(chǎn)生的EMI不會(huì )影響其他設備。此外，在設計中在有源信號層之間使用接地層將有助于減少層之間寬邊耦合或串擾的可能性。

降低噪聲：隨著(zhù)數字電路切換狀態(tài)，它們將通過(guò)接地電路產(chǎn)生噪聲脈沖，這可能會(huì )在其他電路中造成虛假切換。接地平面的大面積將有助于減小這種影響，因為它的阻抗比接地線(xiàn)穿過(guò)走線(xiàn)的阻抗低。

散熱：接地層也為熱運行的組件提供了良好的散熱片。通過(guò)將這些具有孔的部件穿過(guò)電路板連接到接地層，熱量可以在電路板上均勻分布。

另一方面，在使用電源和接地層時(shí)也需要注意一些缺點(diǎn)。平面將增加板的層數，這將增加制造成本。電路的不同區域（例如數字和模擬）將需要仔細管理其接地，以使來(lái)自一個(gè)電路的噪聲不會(huì )對另一個(gè)電路產(chǎn)生不利影響。并且，在使用拆分后的飛機以容納多個(gè)電源或接地網(wǎng)時(shí)，必須格外小心。這對于信號返回路徑尤其重要，因為分離平面可能會(huì )無(wú)意間破壞或阻塞本應暢通無(wú)阻的路徑。

但是，所有這些問(wèn)題都是PCB設計過(guò)程的一部分，可以使用更高PCB設計工具來(lái)熟練地解決這些問(wèn)題。

先進(jìn)的PCB設計工具如何發(fā)揮作用

PCB設計的接地和電壓布線(xiàn)將是設計過(guò)程的主要部分。幸運的是，您擁有PCB設計工具的功能和功能。

完整的布線(xiàn)和平面創(chuàng )建實(shí)用程序可為您提供對電源和接地設計的完全控制，包括創(chuàng )建拆分平面和控制散熱墊。

仿真和分析工具，可在您投入生產(chǎn)之前監視設計的工作方式。