PCB布局中的單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地

2021-03-26

為印刷電路板提供良好的接地系統可能是PCB布局最重要的方面之一。有數字，模擬，機箱和接地，它們的功能對于電路板的整體性能都很重要。電路板中的接地系統將執行所有工作，從保持穩定的參考電平到為信號和電流提供清晰的返回路徑。 

我們將研究PCB設計中的單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地，以及在下一個(gè)布局中連接接地時(shí)需要了解的知識。

單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地-哪個(gè)？

印刷電路板上可以使用許多不同的接地，最常見(jiàn)的示例之一是混合信號板上的數字接地和模擬接地。接地將需要連接，如何進(jìn)行取決于您的設計是否需要單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地。讓我們探索這兩種類(lèi)型。 

單點(diǎn)接地

接地彼此不同的電路板被稱(chēng)為單點(diǎn)或“星形”接地。這種方法通常用于低頻應用中，并且在板上有一個(gè)接地點(diǎn)，這些接地點(diǎn)都綁在一起了。如果是分割接地平面，則數字和模擬接地平面將在分割之間的某一點(diǎn)綁在一起。

多點(diǎn)接地

此接地策略用于以較高頻率工作的電路板。并非每個(gè)接地電路在一個(gè)平面上最終在一個(gè)點(diǎn)上相互連接在一起，而是將所有接地電路共享在同一平面上。不同的電路都通過(guò)低阻抗連接連接到一個(gè)參考接地層?？s短的連接有助于降低在較高頻率下可能產(chǎn)生的EMI。

單點(diǎn)接地系統在較低頻率下運行效果更好，而多點(diǎn)接地系統在較高頻率下運行效果更好。在許多情況下，電路板的供電網(wǎng)絡(luò )中存在單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的混合情況。但是，必須牢記接地系統如何連接的一些重要點(diǎn)，以避免出現問(wèn)題，我們將在接下來(lái)的內容中進(jìn)行介紹。

拆分平面在電路板上設置。

接地平面配置不正確的問(wèn)題

如果所有返回電流都流經(jīng)單點(diǎn)，則單點(diǎn)接地系統可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。這會(huì )干擾整個(gè)接地平面中高頻電流的正常流動(dòng)，進(jìn)而輻射EMI。在許多情況下，不同的電路最好共享接地層，并在電路板的另一層上提供不同的返回路徑。保持信號靠近其返回路徑也很重要，以減少它們將引起的磁環(huán)路。

分離平面的另一個(gè)問(wèn)題是，它可能導致接地電流環(huán)路。通過(guò)嵌入跡線(xiàn)或拆分平面，您可能會(huì )阻塞返回路徑并無(wú)意間創(chuàng )建了循環(huán)。最好保持接地平面完整，并避免形成會(huì )阻塞返回路徑的情況，例如過(guò)孔，槽或其他平面障礙物的高密度區域。如果要有單獨的數字和模擬接地層，通常建議將它們放在電路板的不同層上，并且不要重疊，以幫助最大程度地減小兩者之間的電容耦合。

在PCB設計中，通常要查看電路板上所有未布線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )，并在您的工作流程中將走線(xiàn)布線(xiàn)置于最高優(yōu)先級。但是，實(shí)際上，每個(gè)信號都有一個(gè)返回路徑，該路徑必須通過(guò)參考平面返回到源。如果未正確設計接地平面以傳導這些返回路徑，則信號的性能將受到威脅。因此，布局工程師必須同時(shí)考慮設計的布線(xiàn)和接地。 

一條走線(xiàn)不正確的走線(xiàn)可能會(huì )導致該信號出現問(wèn)題，而設計不佳的接地策略可能會(huì )冒著(zhù)整個(gè)電路板運行的風(fēng)險。話(huà)雖如此，讓我們接下來(lái)看一下設計接地平面的一些最佳實(shí)踐。

在Cadence Allegro的“動(dòng)態(tài)形狀參數”菜單中設置散熱釋放連接。

接地平面的PCB布局最佳做法

在開(kāi)始布局之前，必須使用所有正確的參數和設置來(lái)設置電路板。此過(guò)程的一部分是通過(guò)權衡制造成本和電路板的布線(xiàn)密度和信號完整性要求來(lái)設置電路板的層堆疊配置。敏感信號將需要帶狀線(xiàn)層配置，可能需要布線(xiàn)多個(gè)電源，并且正如我們已經(jīng)討論的，電路板的接地也是一個(gè)因素。

在對電路板進(jìn)行布局時(shí)，將需要確定創(chuàng )建接地層的策略。通常，接地平面是通過(guò)稱(chēng)為澆注銅的過(guò)程創(chuàng )建的。設計人員將繪制平面輪廓，然后系統將根據已為其設置的參數來(lái)形成平面。在上圖中，您可以在Allegro PCB編輯器的“動(dòng)態(tài)形狀實(shí)例參數”菜單中查看這些參數的示例。正在建立散熱裝置連接，并且還有其他選項卡可用于設置平面的間隙，空隙和填充圖案。這些參數也可以在現有平面上進(jìn)行更改，這在創(chuàng )建兩個(gè)需要不同參數的平面時(shí)非常有用。

實(shí)施平面策略后，設計人員可以繼續進(jìn)行走線(xiàn)布線(xiàn)。在布線(xiàn)與參考接地層耦合的走線(xiàn)時(shí)，請牢記以下一些基本規則： 

不要越過(guò)分裂的飛機；您將阻塞信號的清晰返回路徑，并可能在電路上產(chǎn)生大量噪聲。

路由敏感信號時(shí)，請盡可能將它們保持在一層上，并靠近其參考平面以進(jìn)行耦合。

如果必須更改圖層，請嘗試將圖層限制在參考平面的任一側，以保持清晰的信號返回路徑。

如果您不得不穿過(guò)更多的層，請在信號過(guò)孔旁邊使用接地轉接過(guò)孔，以繼續信號返回路徑。

對于電源和接地連接，請使用短而寬的走線(xiàn)，以降低其阻抗。

為了設計具有良好單點(diǎn)或多點(diǎn)接地系統的電路板，設計人員需要遵循許多規則。幸運的是，您使用的PCB設計工具內置了很多功能來(lái)提供幫助。

Allegro中的約束管理器，顯示為電網(wǎng)設置的參數。

設置用于生成地平面的設計工具

如前所述，使用“動(dòng)態(tài)形狀實(shí)例參數”菜單可以輕松實(shí)現控制如何創(chuàng )建或更改地平面的功能。但是，電源和接地網(wǎng)還有其他方面也需要控制。這些包括布線(xiàn)期間使用的走線(xiàn)寬度和間距，以及將使用哪種類(lèi)型的通孔。Allegro中的約束管理器使設計人員能夠設置所有這些不同的參數。

如您在上圖中所看到的，接地網(wǎng)和電力網(wǎng)被分組到一個(gè)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)別中，在其中可以輕松控制它們的不同參數。約束管理器使用電子表格樣式的界面，使用戶(hù)可以完全控制板的網(wǎng)絡(luò )，組件以及從電氣屬性到制造規則的許多其他方面。約束管理器可以導入或導出其規則，從而可以輕松利用新設計中的現有規則為新設計快速設置約束。