设计规范与指南-PCB接地设计

2019/8/2第1页接地设计规范与指南PCB的接地设计眭诗菊范大祥编制2019/8/2第2页PCB的接地设计要求PCB的接地设计，首先应根据设备系统总的接地设计方案，如：单板上的保护地、屏蔽地、工作地（包括数字地和模拟地）等如何与背板连接，背板上的这些地又如何与系统的各种地汇接，在PCB上落实系统接地方案对PCB板的接地设计要求。2019/8/2第3页工作地工作地——信号回路的电位基准点（直流电源的负极或零伏点），在单板上可分为数字地GNDD与模拟地GNDA。数字地连接数字元器件接地端，模拟地连接模拟元器件接地端。理想的工作地是电路参考点的等电位平面。但在实际的设计中，工作地被作为信号电流的低阻抗回路和电源的供电回路。这样就会产生常遇到的三个问题：共模干扰、信号串扰和幅射。2019/8/2第4页共模干扰电压所有的导体都具有一定的阻抗，电流流经地时，同样会产生压降。流经工作地中的电流主要来自两个方面，一是信号的回流；另一个是电源的电流需要沿工作地返回。下图表示了典型的信号和电源共地逻辑电路PCB上共模电压的产生。其中，Vnoise是电流流经工作地时产生的共模噪声电压。2019/8/2第5页串扰PCB上相邻的印制线之间存在互感和耦合电容，当信号电压或电流随时间快速变化时,会对周围的信号产生不可忽视的串扰。图（a）是串扰的等效电路。图（b）是集总参数下串扰（Crosstalk）与线间距D和印制线离地平面（参考平面）高度H之间的关系。2019/8/2第6页辐射与干扰PCB上的快速变化的电流回路，其作用相当于小回路天线，它会向外进行电磁场幅射。图（a），属于差模辐射方式。幅射的电场强度与回路中电流的大小Io、回路的面积A、电流的频率的二次方成正比。同理，PCB上的信号回路（小回路天线）也会接收周围快速变化的电磁场，而产生干扰电流。如图（b），当出入PCB的电缆上存在共模电流时，会产生共模幅射。幅射的电场强度与共模电流的大小、共模电流的频率、线的长度成正比。同时，它也会对PCB上的电路产生共模干扰。2019/8/2第7页PCB接地设计原则共模干扰、串扰和幅射干扰都与PCB的接地设计有密切的关系。一个好的设计可以有效控制信号回路的阻抗和回路面积，以及干扰电流的幅度。确定高di/dt、高dv/dt电路（产生辐射）PCB设计开始时，首先要确定电路中可能的干扰源。一般是高di/dt、高dv/dt电路，如：时钟、总线缓冲器/驱动器、高功率振荡器。在PCB布局、布线和检查时对它们给予特别关注。确定敏感电路（易受干扰）确定电路中易受干扰的敏感电路，如：低电平模拟电路，高速数据和时钟。在设计时注意隔离和保护。2019/8/2第8页PCB接地设计原则（续）最小化地电感和信号回路信号线应该尽量短，信号回路面积尽量小。对速度较高的电路应用有地平面的多层板。关键电路包括器件和走线，应尽量远离板的边缘。板的边缘存在较强的干扰场。地平面分割与不分割的合理应用对于混合电路，若数字地与模拟地分割，不会出现或能够很好解决信号跨越和信号回路的问题，可以采用分割。否则，建议采用“分区但不分割”的方法。即：局部和布线时严格区分数字与模拟区域，避免数字信号与模拟信号出现公共回流路径。但地层并不分割开。避免信号跨越而形成大的信号回路。2019/8/2第9页PCB接地设计原则（续）接口地保持“干净”，使噪声无法通过耦合出入系统出入PCB板信号，特别是通过电缆连接的信号易将噪声耦合出入系统，注意保持I/O地不受到共模干扰。接口部分的电源地尽量采用平面。电路合理分区，控制不同模块之间的共模电流对于纯数字电路，应该注意按电路工作速率高、中、低以及I/O进行分区。以减少电路模块之间的共模电流。贯彻系统的接地方案PCB上的接地设计，应该符合设备系统的总接地方案。特别是单板、背板，以及与机框机架需要搭接的地方，PCB上应该备有系统要求的安装孔、喷锡或采用其它镀层的导电接触面。2019/8/2第10页双面板接地设计梳形电源、地结构*任何电路都不宜直接采用梳形的地结构，由图可以看出信号的回流都必须折回根部，回路面积大。但只要对较重要的信号加以地保护，布线完成之后将空的地方都敷上地铜皮，并用多个过孔将两层的地连接在一起，这个缺陷可以得到弥补。这种结构只适用于低速电路，PCB上信号的走向较单一，而且走线密度较低的情况。2019/8/2第11页双面板接地设计（续）栅格形地结构*栅格形地结构，电源和地分别从PCB的顶层和底层，以正交方式引出，在电源和地交叉处放置去耦电容，电容的两端分别接电源和地。*与梳形比较，栅格形地结构信号回路较小。栅格形地结构适用于低速的CMOS和普通的TTL电路，但应该注意对较高速的信号加足够的地保护，使回路面积和回流路径的电感达到最小。2019/8/2第12页多层板的接地设计有完整地平面的多层板之优点(1)信号提供较稳定的参考电平和低电感的信号回路，使所有信号线具有确定的阻抗值；(2)为电路提供低电感的工作电源供电；(3)可以控制信号间的串扰。2019/8/2第13页多层板的接地设计（续）信号回流当信号的频率较低时,信号的回流主要沿最低电阻路径，即几何最短路径,如图（a）。当信号达到一定频率（F1KHz）时,信号的回流集中沿最低电感路径，如图（b），返回电流主要沿印制线的下方回流。图中的虚线表示信号的回流。信号频率较高时的回流分布2019/8/2第14页多层板的接地设计（续）信号回路的构成频率较高时，不论信号紧靠的是电源平面还是地网络平面，信号的返回电流总是沿紧靠的参考平面回流。2019/8/2第15页多层板的接地设计（续）由回路的构成可以得出：1）回路的构成上，电源平面与地网络平面同样重要；2）滤波电容不仅起平滑电源、为电源去耦的作用。它还在信号回路中起桥梁作用；3）应该纠正所有信号只能从地回流、电源平面不重要的片面观点。VCCGNDGND无损耗传输线等效电路2019/8/2第16页多层板的接地设计（续）参考平面被分割的影响等效设计人员常犯的错误是，认为时钟信号很重要，所以要把它走在地网络平面上，如左图。如此会带来以下问题：（1）若该地网络平面相邻的不是另一地平面，时钟信号线离地平面较远，中间还有信号层，造成时钟信号线本身的阻抗难以控制，造成信号完整性问题；（2）由于时钟信号线走在地网络平面上会造成平面被分割，使分割带之上的信号回路必须绕分割带，回路面积增大。当分割带之上的信号线较多时，累积的大信号回路产生的EMI将不可忽视。2019/8/2第17页多层板的接地设计（续）参考平面上隔离盘尺寸过大的影响走线时，将信号过孔密集地整齐排列会在参考平面上产生开槽的效果信号层电源地平面2019/8/2第18页多层板的接地设计（续）参考平面的设计在实际的设计中，完全禁止平面分割是不现实和不经济的。例如：⑴芯片的低功耗化和单板功能的复杂化，有时一个PCB板上会有三种以上的工作电源，安排每种电源一层是不合适的，可把几种不同的电源安排在同一层面上，这样，一个层面就被不同的电源网络所分割。⑵为了避免不同的电路之间的干扰，不同的电路设置不同的地平面，这样，一个层面就被不同的地平面所分割。对于数模混合电路，根据单板电路的具体情况，可采用以下三种方式：分割；分割+桥接；分区但不分割。分割--适用于数字电路与模拟电路之间没有信号联系布局时将数字电路和模拟电路分开，器件排列尽量紧凑，布线时避免数字电路的信号跨越模拟电路区域，避免模拟电路的信号跨越数字电路区域。两个区域隔离足够的距离。数字地与模拟地分割，然后在插座处单点连接，见左图。这样能最大限度地抑制数字电路对模拟电路的干扰。2019/8/2第19页多层板的接地设计（续）分割+桥接--适用于数字电路与模拟电路之间联系的信号线较少且集中分区但不分割--适用于数字电路与模拟电路之间联系的信号线较多且难以集中在一块将数字电路和模拟电路分区布局，布线时避免数字电路内部的信号跨越模拟电路区域，避免模拟电路内部的信号跨越数字电路区域。地层并不分割，是一完整的层面，保证两个电路之间联系的信号有最小的信号回路。2019/8/2第20页多层板的接地设计（续）信号回路的桥接当较重要的信号不得不跨越参考平面时，可以采用以下的桥接方法：（1）跨线桥接（2）电容桥接跨线桥接适用于信号跨越后，又能回到原来的参考平面上。线桥走在信号层，并且走线尽量地宽。当信号跨越分割后回不到原参考平面上时，可以在信号跨越处增加一个（或多个）0.01uF至1uF的电容为信号提供回路。这种用途的电容常被形象地称为StichingCapacitor。桥接电容应尽量靠近（小于200mil，小于80mil时效果更佳）要保护的信号线，每个电容所保护的信号线不超过5根。如图，电容的两端分别接平面各自对应的网络。2019/8/2第21页多层板的接地设计（续）参考平面的处理（1）电源平面紧靠地平面（仅限于高频电路）当电路的工作频率很高（如：大于100MHz）时，电源平面应该紧靠地平面，这样可以最大化电源平面与地平面的电容耦合，降低电源的噪声。（2）多个地平面用过孔相连当PCB中有多个地平面层时，应该在板上用较多分散的过孔将地平面连接在一起，特别在信号集中换层的地方，以便为换层的信号提供较短回路和降低辐射。如图在平面的周用过孔将地平面连接在一起，可以有效的降低PCB对外的辐射。2019/8/2第22页多层板的接地设计（续）参考平面的处理（续）（3）条件允许时，采用20H原则（4）加地平面作为信号隔离层当信号层数多需要加隔离层时，宜加地平面作为隔离层，不要加电源层作为隔离层。（5）控制好平面的延伸区域在进行电源地平面设计时，应该控制好平面的延伸区域。避免不同类型电路的参考平面交叠，平行的带电平面之间存在电容耦合。见图，模拟电源平面AnalogP和数字地平面DigitalG之间会相互耦合。见等效电路。在实施20H原则时，应该优先满足信号的回路最小，信号阻抗连续。即，缩进电源平面时，若相邻的信号层在电源平面边缘有走线，可以在此范围内不考虑20H原则，确保信号不跨越，而且电源平面的边缘应该延伸出信号线位置。2019/8/2第23页多层板的接地设计（续）PCB的叠层设计PCB的叠层设计不是层的简单堆叠，地层的安排是关键，它与信号的安排和走向有密切的关系。一般应按以下原则进行叠层设计：（1）满足信号的特征阻抗要求（2）满足信号回路最小化原则（3）满足最小化PCB内的信号干扰要求（4）满足对称原则2019/8/2第24页多层板的接地设计（续）PCB的叠层设计举例四层板六层板八层板十层板2019/8/2第25页后背板的接地设计对于有后背板的大型设备，在功能单板上，各种接地母线或接地平面在插座处汇合后经过后背板接到工作地和工作地汇流条。保护地通过后背板接到保护地汇流条。-48V地通过后背板接到-48V地汇流条。如果-48V电源与5V或12V电源有共地的要求（如用户板），-48V地与工作地在后背板上（靠近-48V电源输入插座位置）相连。否则，-48V地汇流条与工作地汇流条在接地螺丝处相连。静电防护与屏蔽地通过固定螺丝与机壳良好搭接。2019/8/2第26页有金属外壳器件/模块的接地设计⑴具有金属外壳的接插件，其金属外壳应与接地的机壳或底板紧密相连。⑵印制板（双层板）在靠近接插件的部位，模拟地线、数字地线、功率地线、继电器地线、低电平电路地线、-48V地线应合并为大面积地线。⑶印制板（多层板）的模拟接地面、数字接地面、功率接地面、继电器接地面、低电平电路接地面、-48V接地面要保持完整，在靠近接插件的部位要多点相连。⑷对于有金属外壳的小型设备，印制板的地线或接地面应通过固定螺丝多点接外壳，且在靠近接插件的部位适当增加固定螺丝。其他与接插件相连的部件的接地端也应就近接外壳。2019/8/2第27页PCB的布局设计布局设计是PCB接地设计的关键步骤之一，布局时应考虑电路的功能模划分，关键信号的走向，布通率等因素。混合电路的分区数字电路和模拟电路分区布置，数