多層堆疊中的PCB接地平面最佳實(shí)踐

2021-05-26

多層堆疊中的PCB接地平面最佳實(shí)踐

當我剛開(kāi)始使用現代CAD工具進(jìn)行PCB設計時(shí)，我對電路板的接地采取了相當簡(jiǎn)單的看法。作為物理學(xué)家進(jìn)入這個(gè)行業(yè)，我受過(guò)訓練，可以根據參考電勢，圖像電荷以及電磁理論中的許多其他術(shù)語(yǔ)來(lái)思考事物。一旦完成了生產(chǎn)第一塊PCB的工作，并且在設計中發(fā)現了異常的噪聲和EMI，明確定義接地的重要性就會(huì )變得更加明顯。

在堆疊中使用PCB接地層是確保電源和信號完整性以及保持EMI低的第一步。但是，關(guān)于接地層的一些錯誤說(shuō)法似乎仍然存在，并且我已經(jīng)看到經(jīng)驗豐富的設計師在PCB布局中定義接地時(shí)會(huì )犯一些簡(jiǎn)單的錯誤。如果您有興趣防止過(guò)多的輻射并確保布局中的信號完整性，請遵循以下簡(jiǎn)單準則在下一塊板上實(shí)現PCB接地層。

為什么要使用PCB接地板？

在概述如何在設計中使用接地和PCB接地層之前，有一些重要的設計目標可幫助您實(shí)現接地：

明確定義的阻抗：高速/高頻互連需要具有明確定義的阻抗，以便信號可以與具有特定系統阻抗（通常為50歐姆）的其他組件連接。

返回路徑： PCB接地層為互連上的電流提供了清晰的返回路徑，該路徑以位移電流的形式在接地區域中傳播。這樣可以使環(huán)路電感較小，并確保低EMI輻射，這是在多層PCB疊層中使用接地層或接地的銅粉的主要原因。

EMI屏蔽和抑制： EMI雙向，并且設計中的接地銅可以屏蔽外部EMI源。

去耦和穩定電源：這可能是在多層PCB中使用接地層的最不為人知的原因。一對大電源平面和接地平面將充當一個(gè)大的去耦電容器，有助于保持電路板上的電源穩定。

在某些情況下，分段澆鑄而不是分流平面澆鑄銅，這可能很難滿(mǎn)足上面列出的設計目標。這些布線(xiàn)問(wèn)題以及保持良好定義的接地層都會(huì )產(chǎn)生較大的環(huán)路電感，從而導致EMI。

請注意，即使您的接地平面均勻，如果系統的布局不緊湊，仍會(huì )形成較長(cháng)的返回路徑。無(wú)需在整個(gè)板上形成鋸齒狀的走線(xiàn)，而在這種情況下，具有統一的接地層將無(wú)法解決EMI問(wèn)題。

如何處理多個(gè)地面參考

很多時(shí)候，原理圖中會(huì )有兩個(gè)不同的接地網(wǎng)，然后將它們復制到PCB上。作為一個(gè)示例，這在電隔離功率轉換器（例如，諧振LLC轉換器）和許多工業(yè)以太網(wǎng)設計中很常見(jiàn)，在這些設計中，系統的高/低壓側或數字/模擬側具有自己的接地區域。然后將接地區域通過(guò)0歐姆的電阻器或電容器彼此綁在一起。

如果您的電路板需要多個(gè)接地，則您的PCB布局和布線(xiàn)策略現在需要考慮您的真實(shí)接地基準在哪里以及返回電流如何傳播到基準網(wǎng)中。這與上表中的第1點(diǎn)和第2點(diǎn)有關(guān)，看到經(jīng)驗豐富的設計師遵循過(guò)時(shí)的設計實(shí)踐會(huì )產(chǎn)生EMI問(wèn)題，這仍然很常見(jiàn)：將接地層分成多個(gè)澆鑄銅區域。用這種方法將PCB接地層分開(kāi)，很難定義清晰的返回路徑，從而導致較大的環(huán)路電感，不正確的阻抗和輻射EMI。

分裂的理由和不應該做的事

考慮下面顯示的示例布局。在此示例中，我們有兩個(gè)接地區域，它們在頂層物理隔離。在第3層上有縫合過(guò)孔將GND區域綁回到相同的多邊形上，在第2層上還有其他低速信號。

PCB地平面設計示例，我們需要固定單獨的平面。

綠色組件是USB接口，藍色組件是連接GND和SGND區域的電容器。如果我們要處理較慢的信號，則在EMI方面可能會(huì )很好，因為這種特殊布置中的寄生環(huán)路電感不是很大。由于我們正在處理USB，因此最好安全地使用USB，并在這些區域下方放置均勻的接地層。在銅澆注中，在此間隙以下缺少接地層會(huì )產(chǎn)生差分阻抗不連續性，并導致通過(guò)電容器的返回路徑過(guò)長(cháng)。該返回路徑將具有較高的環(huán)路電感，從而導致更大的EMI和串擾。

就我個(gè)人而言，我不會(huì )擔心電容器，也不會(huì )將接地區域完全分開(kāi)，除非在這種類(lèi)型的系統中存在某些隔離的原因（例如，低壓區域與高壓區域，操作員安全問(wèn)題，某些行業(yè)）標準等）。除非需要電流隔離并且不設計高速返回路徑，否則應僅使用統一的接地層。也可以在整個(gè)表層上倒入地面，然后將其綁回到主PCB接地層。您將消除在接地平面上的間隙中布線(xiàn)時(shí)會(huì )看到的輻射EMI問(wèn)題，并確保表面層上不同信號之間具有高度隔離。

總之，當您需要提供清晰的返回路徑時(shí)，請使用PCB接地層，并且不要在接地層中放置縫隙和間隙以創(chuàng )建具有不同組件塊的區域。需要一些技巧來(lái)確保PCB不同部分之間的返回路徑不會(huì )重疊并產(chǎn)生串擾

如果出于某種原因必須在不同的接地區域使用星形接地策略，則在任何情況下都不要在不同接地平面區域之間的無(wú)接地區域上開(kāi)始路由數字信號。這是強輻射EMI和EMC測試失敗的秘訣。