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PCB接地技巧總結(jié)

dytfki8u8yql ? 來(lái)源:頭條號(hào)百芯說(shuō)DFM ? 2023-03-13 09:58 ? 次閱讀

今天主要給大家簡(jiǎn)單介紹一下: PCB 接地技巧 。

PCB 接地 是 PCB Layout 工程師一直都會(huì)關(guān)注的問(wèn)題 ,例如:如何在板上規(guī)劃有效地接地系統(tǒng),是將模擬、數(shù)字、電源地等所有地單獨(dú)布線還是單點(diǎn)一起布線?如何消除電路板上的接地環(huán)路?

今天主要是關(guān)于 PCB 接地設(shè)計(jì)、PCB接地技巧、PCB 接地處理。

一、什么是接地?

雖然說(shuō)這個(gè)問(wèn)題看起來(lái)有點(diǎn)蠢,但不同類型的接地之間還是有區(qū)別的。電氣接地是一個(gè)導(dǎo)電體,它充當(dāng)來(lái)自各種設(shè)備的電流的公共返回路徑,通常稱為 0 電位節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)中所有其他電壓都是相對(duì)于這個(gè)節(jié)點(diǎn)。

這里介紹接地不同類型的節(jié)點(diǎn):

1、浮地

當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有可靠的接地連接時(shí),就會(huì)發(fā)生浮地 。因此,接地端子和導(dǎo)體中的電壓是不確定的,無(wú)意浮動(dòng)接地被認(rèn)為是系統(tǒng)故障(接地系統(tǒng)中的潛在斷路),但也有有意使用浮動(dòng)接地的應(yīng)用。

在低壓電源和測(cè)試儀器中,隔離變壓器用于將低壓接地與主接地系統(tǒng)隔離,以提高安全性。 通過(guò)浮動(dòng)低壓側(cè)的地,它避免了來(lái)自主電源的接地電流路徑。 如果低壓側(cè)出現(xiàn)故障,這將提供電氣安全。

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浮地

2、大地

這實(shí)際上是 與地球的物理連接 , 充當(dāng)耗盡剩余電流的安全返回點(diǎn) 。

3、機(jī)箱接地(安全接地)

機(jī)箱接地(安全接地) 是 從交流電源到產(chǎn)品外殼或底盤的安全線的連接 ,接地和機(jī)箱接地具有相同的功能,通常與術(shù)語(yǔ)安全接地互換使用。

在 PCB 接地方面,沒(méi)有一種萬(wàn)能的方法。要確定將系統(tǒng)接地的最佳方式,你需要了解其中電流的流動(dòng)方式。但是,有多種方法可供選擇,以及適用于大多數(shù)系統(tǒng)的最佳接地實(shí)踐的一些提示。

4、信號(hào)

信號(hào)地是 電路中使用的任何模擬或數(shù)字信號(hào)的參考,大多數(shù)時(shí)候信號(hào)地等于電源地。 但在某些情況下,電路中的信號(hào)使用不同的隔離接地來(lái)返回信號(hào)電流,這導(dǎo)致為信號(hào)定義單獨(dú)的接地,信號(hào)地可以在敏感設(shè)備和測(cè)量?jī)x器中找到。

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原理圖中用于接地的典型符號(hào)

在為模擬和數(shù)字部分劃分電路板時(shí),分離地通常連接在具有模擬和數(shù)字軌道連接的混合信號(hào)設(shè)備下方或附近。當(dāng)在混合信號(hào)設(shè)備下方的模擬地和數(shù)字地平面之間進(jìn)行連接時(shí),它能夠以最短的長(zhǎng)度運(yùn)行混合信號(hào)走線,并減少干擾設(shè)備周邊其他模擬或數(shù)字信號(hào)的機(jī)會(huì)。

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模擬地和信號(hào)地分開(kāi)接地

5、虛地

虛地常見(jiàn)于 運(yùn)算放大器 (Op-Amp)。 虛擬接地點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)) 不直接連接到接地(GND)電流返回路徑,而是保持與接地參考電位匹配。 虛擬接地用于分析運(yùn)算放大器的功能。

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虛地

通過(guò)考慮虛擬接地電位,并假設(shè)運(yùn)算放大器不吸收電流,得到以下關(guān)系。

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虛地計(jì)算公式

6、交流接地

交流接地節(jié)點(diǎn) 具有低阻抗直流值,即使受到小的干擾,該直流電壓也是穩(wěn)定的 。由于它的直流值,這個(gè)節(jié)點(diǎn)不能作為一個(gè)合適的地,但是因?yàn)樗欠€(wěn)定的,它可以作為一個(gè)參考點(diǎn)。

交流接地是 將電源引入需要電網(wǎng)電源并以中等高電流運(yùn)行的電路板的標(biāo)準(zhǔn)方法。 在下圖中,我們將 3 線單相交流電引入系統(tǒng),并使用變壓器將其降壓至電路板上所需的電平。

PCB 疊層中初級(jí)接地 (PGND) 和次級(jí)接地 (SGND) 之間的分離意味著我們現(xiàn)在在電路板上基本上有一個(gè)隔離電源以及我們的其他重要組件,這些組件可能是高速數(shù)字或精密模擬組件。

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輸入功率級(jí)隔離接地

7、底盤接地

電子產(chǎn)品中需要注意的重要一點(diǎn)是,并非所有系統(tǒng)都有機(jī)箱接地(安全接地)。通常,底盤接地是指外殼中的金屬機(jī)箱,并與機(jī)箱建立連接。

在 3 線 AC 系統(tǒng)(火線、中性線和地線)或 3 線 DC 系統(tǒng)(DC+、DC 公共端和地線)中,機(jī)箱接地通常在電源進(jìn)入電源的點(diǎn)處連接到大地。插入系統(tǒng)的一部分也可以連接到機(jī)箱接地以吸收噪聲或出于安全原因(例如,ESD 保護(hù)),如下面所示的示例。這種布置為 3 線連接上的交流或直流輸入提供了共模噪聲過(guò)濾。

下面原理圖中的機(jī)箱接地直接連接到電路板,并帶有與外殼的低電感接地觸點(diǎn)。請(qǐng)注意,連接器上的引腳 3 是地線。

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底盤接地

底盤接地連接提供了三個(gè)功能:

由于機(jī)箱現(xiàn)在設(shè)置為全局 0 V 參考電位,因此機(jī)箱現(xiàn)在 充當(dāng)法拉第籠并提供寬帶屏蔽 。

它提供了一種 安全功能 ,可以將寄生電流(ESD、短路或噪聲)消散回大地。

它可以在此輸入 EMI 濾波器上 為共模噪聲提供低阻抗接收器 ,而無(wú)需在板上放置鐵氧體或大扼流圈。

8、多地接地

多地接地通常在兩臺(tái)設(shè)備之間布線時(shí)出現(xiàn),并且電纜可能有一些屏蔽層連接到每一端的地線。

必須在這里小心,因?yàn)閮蓚€(gè)接地連接之間可能有直流電勢(shì)差,在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)可能約為 10 V。如果接地橋接(例如沿屏蔽電纜使用屏蔽),接地偏移可能會(huì)導(dǎo)致大的直流電流流過(guò)電纜。

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多地接地

二、并非所有接地都為 0V

懸空的導(dǎo)體或者系統(tǒng)中參考不同電源的導(dǎo)體可能不具有相同的 0 V 電位 。換句話說(shuō),兩個(gè)不同的設(shè)備有兩個(gè)接地參加,但連接到同一個(gè)參考,如果你測(cè)量它們之間的電位,測(cè)量得到是一個(gè)非 0電壓。

在電源系統(tǒng)中,要注意如何使用電容接地以確保接地參考保持一致。Y級(jí)電容最合適,你需要消除平面之間的直流偏移,同時(shí)提供電流隔離和高頻EMI 濾波。

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PCB接地電路

當(dāng)兩個(gè)設(shè)備引用相同的導(dǎo)體作為接地連接時(shí),可能會(huì)發(fā)生下面這種情況。如果你測(cè)量長(zhǎng)導(dǎo)體上的電位差(例如:使用萬(wàn)用表),它可能不為 0,這意味著沿著導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)了一些電流。這種沿著大地或兩個(gè)接地連接之間的電位差稱為 “接地偏移”。

三、PCB 接地設(shè)計(jì)

1、地線

所有連接到地面的組件都通過(guò)公共跡線連接在一起,這在舊 PCB 和簡(jiǎn)單 PCB 中很常見(jiàn)。

2、公共接地平面

公共接地平面是PCB設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的做法。 PCB 上未被走線或元件利用的自由空間被從地面覆蓋 。公共接地平面顯著改善了 PCB 的熱特性,也有助于降低電磁干擾 (EMI)。

3、專用接地層

專用接地層 用于多層 PCB,組件通過(guò)接地過(guò)孔連接到接地層 。可以在具有 3 層及以上層的密集復(fù)雜 PCB 中找到。

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專用接地層

4、電力系統(tǒng)接地

在電力系統(tǒng)安裝中, 所有接地連接都連接到接地母線 。該母線連接到接地導(dǎo)體,該接地導(dǎo)體連接到接地棒或接地網(wǎng)。

接地母線將所有裝置的所有接地線匯集到一個(gè)公共點(diǎn)。該點(diǎn)的接地電阻應(yīng)低于 5 歐姆,以提供更好的接地,使用高規(guī)格電線將接地母線連接到接地裝置。(接地棒和接地網(wǎng))

5、等電位接地或者接地

等電位接地意味著 保護(hù)區(qū)中的每個(gè)導(dǎo)電元件都應(yīng)具有相同的接地電位 ,是通過(guò)電氣連接設(shè)備底盤、金屬管道和所有接地裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

等電位確保了該區(qū)域中的任何導(dǎo)電部件之間沒(méi)有明顯的電位差,并防止在故障期間觸電。

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等電位接地或者接地

四、PCB 接地技巧

1、PCB 全部連接完整

PCB 布局上不應(yīng)有任何未連接的東西。 如果你的板上有一個(gè)開(kāi)放空間,得用銅和過(guò)孔填充它以連接接地層,這將為 PCB 的所有信號(hào)創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)化的路徑,以有效地到達(dá)地面。

2、接地層

使用接地層是許多 PCB 設(shè)計(jì)人員最常用的技術(shù) 。接地層通常 由銅制成,覆蓋 PCB 上沒(méi)有組件或走線的所有區(qū)域。 一些規(guī)則適用于接地層,具體取決于電路板的層數(shù)。例如,如果電路板有兩層,則規(guī)則規(guī)定應(yīng)該將 接地層放在底層 ,將走線和組件放在頂層。

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接地層

放置接地層時(shí),應(yīng)確保它 不會(huì)形成導(dǎo)電材料環(huán) 。該環(huán)增加了接地層對(duì)電磁干擾 (EMI) 的敏感性。當(dāng)外部磁場(chǎng)與導(dǎo)電環(huán)接觸時(shí),它會(huì)充當(dāng)電感,產(chǎn)生稱為接地回路的電流。接地回路會(huì)干擾產(chǎn)生電噪聲的其他電路

當(dāng)在整個(gè)底層的下方放置一個(gè)接地層并移除所有包含電氣元件的部件時(shí),可能會(huì)形成一個(gè)導(dǎo)電環(huán)。 應(yīng)確保走線盡可能短,并在其下方放置接地層以防止出現(xiàn)振鈴 。此外,可以通過(guò)調(diào)整走線和組件的布局來(lái)避免創(chuàng)建導(dǎo)電環(huán)。

每個(gè)組件都必須單獨(dú)連接到一個(gè)實(shí)心接地層以避免接地回路。

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由連接到接地層的兩條跡線形成的接地回路

使用機(jī)箱接地時(shí),你可以通過(guò)在連接到機(jī)箱的接地部分放置一個(gè)空隙來(lái)避免接地回路, 如下所示。電容的使用提供了一個(gè)交流接地點(diǎn)。對(duì)于需要使用墻壁電源并需要直接返回地面的電氣設(shè)備來(lái)說(shuō),這是一種理想的情況。

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消除接地回路天線

3、模擬和數(shù)字組件排列

元件應(yīng)布置在靠近地的信號(hào)層上,以使返回路徑短且走線耦合到地。 如果 PCB 包含模擬和數(shù)字組件,則必須非常小心地放置接地連接。電路板的模擬部分和數(shù)字部分應(yīng)該在物理上分開(kāi),但它們?nèi)匀恍枰B接到電源返回路徑。

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混合信號(hào)接地連接

有些人可能會(huì)建議將數(shù)字地和模擬地完全分開(kāi),然后使用鐵氧體磁珠將它們連接起來(lái),但這可能會(huì)產(chǎn)生比它所解決的更多的 EMI 和噪聲問(wèn)題,尤其是當(dāng)在非常高的頻率下工作時(shí)。

連接這些部分的一個(gè)好方法是將電源返回路徑放置在兩個(gè)平面之間,這樣任何一個(gè)部分的返回電流都不會(huì)進(jìn)入另一個(gè)平面。 重要的是要注意,不應(yīng)在兩個(gè)接地層之間的間隙上布線任何走線,因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生很長(zhǎng)的電流返回路徑,極易受到 EMI 的影響。接地層之間的空間可用于放置 ADC 等混合信號(hào)組件。

4、接地層過(guò)孔

如果 PCB 的兩側(cè)都有接地層,它們將通過(guò)板上許多不同位置的過(guò)孔連接 。這些通孔是穿過(guò)電路板并將兩側(cè)相互連接的孔,允許從任何可以插入通孔的地方訪問(wèn)接地層。

使用過(guò)孔可以幫助你避免接地環(huán)路 。它們將組件直接連接到接地點(diǎn),接地點(diǎn)通過(guò)低阻抗連接到電路的所有其他接地點(diǎn),同時(shí)還 有助于縮短返回循環(huán)的長(zhǎng)度 。

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接地層過(guò)孔

接地平面通常在流入它的電流頻率的特定波長(zhǎng)處諧振。你 應(yīng)該在接地層周圍以精確的間隔放置過(guò)孔,以避免接地層諧振。 帳篷通孔是 PCB 板的一個(gè)重要方面,因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)通孔將熱量吸收到板的另一側(cè),從而有助于冷卻熱運(yùn)行的組件。

在 PCB 板布局沒(méi)有過(guò)孔的情況下,可以使用小型鉆孔機(jī)鉆幾個(gè)孔,然后將銅穿過(guò)孔并焊接,從而實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的連接。

5、去耦

去耦是在集成電路芯片旁邊實(shí)施LC 網(wǎng)絡(luò)提供瞬態(tài)開(kāi)關(guān)電流的過(guò)程 。為集成電路芯片安裝電源引腳將它們連接到外部電源。此外,還包含將它們連接到 PCB 接地層的接地引腳。

應(yīng)該在電源引腳和組平面之間 放置去耦電容,以消除由芯片中提供的電壓產(chǎn)生的振蕩。

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高頻去耦的正確和錯(cuò)誤放置

去耦電容對(duì)于改善和增強(qiáng) PCB 的功能至關(guān)重要。電容設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)電荷,因此 PCB 中的去耦電容充當(dāng)電荷存儲(chǔ)設(shè)備。

因此,如果 IC 需要更多電荷,則 去耦電容通過(guò)低電感路徑向 IC 提供電荷 。除了增強(qiáng) PCB 功能外, 去耦電容還可以有效降低 多層平面上電源產(chǎn)生的噪聲。 此外,去耦電容還降低了 EMI。

6、PCB 中的所有連接器都應(yīng)接地

在連接器中,所有信號(hào)線必須并行運(yùn)行。因此,你必須使用接地引腳分離連接器。

每塊電路板可能需要多個(gè)連接器引腳連接到地。只有一個(gè)引腳可能會(huì)導(dǎo)致阻抗不匹配問(wèn)題,從而導(dǎo)致振蕩。如果兩個(gè)連接導(dǎo)體的阻抗不匹配,它們之間流動(dòng)的電流可能會(huì)來(lái)回反彈,這些振蕩會(huì)改變系統(tǒng)的性能并導(dǎo)致其無(wú)法按預(yù)期工作。

連接器的每個(gè)引腳的接觸電阻很低,但可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而上升。因此,最好使用多個(gè)接地引腳。 PCB 連接器中大約 30% 到 40%的引腳應(yīng)該是接地引腳。

連接器有不同的間距,并且可以有不同數(shù)量的引腳排,連接器的引腳也可以平行于 PCB 表面或與其成直角。

7、始終提供一個(gè)共同的接地點(diǎn)

無(wú)論是單層 PCB 還是多層 PCB ,都需要一個(gè)點(diǎn)來(lái)將所有接地點(diǎn)連接在一起。 這可能是機(jī)箱上的金屬框架或 PCB 上的專用接地層,你通常會(huì)聽(tīng)到將這個(gè)公共接地點(diǎn)稱為星形接地。

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始終提供一個(gè)共同的接地點(diǎn)

8、盡量減少串聯(lián)過(guò)孔

確保盡量減少接地路徑上的串聯(lián)過(guò)孔,而是將組件接地直接發(fā)送到專用接地層。

添加到電路板的通孔越多,必須處理的阻抗就越大,這對(duì)于可以將阻抗路徑變成電壓差的快速瞬態(tài)電流尤其重要。

9、布線前設(shè)計(jì)接地

在進(jìn)行任何布線之前,請(qǐng)務(wù)必先正確設(shè)計(jì)的地面,這是整個(gè)路由過(guò)程的基礎(chǔ)。

10、確定 PCB 上電流的走向

許多設(shè)計(jì)人員只考慮他們的信號(hào)傳輸?shù)侥睦铮總€(gè)信號(hào)都有一條返回路徑通過(guò)地面。信號(hào)的發(fā)送和返回路徑將具有相同的電流,這會(huì)影響電源穩(wěn)定性和接地反彈。

你可以使用基爾霍夫電流定律來(lái)了解電流將如何通過(guò)你的電路。

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確定 PCB 上電流的走向

11、疊層中的接地層

在多層 PCB 中,堆棧中電源、信號(hào)和接地層的排列對(duì)信號(hào)完整性有重大影響,并將影響布線策略。

將接地層保持在信號(hào)層附近以最小化電流的返回路徑非常重要 。在 4 層板中,電源層和接地層通常位于內(nèi)層,而信號(hào)走線和元件位于外兩層。

12、規(guī)劃接地平面之間的動(dòng)態(tài)差異

在多層 PCB 的板之間發(fā)送接地連接時(shí),始終計(jì)劃動(dòng)態(tài)變化。在處理需要長(zhǎng)距離電纜的應(yīng)用時(shí)尤其如此。

對(duì)于這些情況,你可以使用低壓差分信號(hào)、光隔離器和共模扼流圈來(lái)控制變化。

13、注意混合信號(hào)的布線區(qū)分

電路板的模擬部分需要分開(kāi),這包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器

在設(shè)計(jì) PCB 的“平面圖”時(shí),務(wù)必將這些區(qū)域隔離開(kāi)來(lái)。ADC 的接地可以連接到一個(gè)公共接地點(diǎn),數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)該接地點(diǎn)傳遞到 PCB 的其他部分。

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注意混合信號(hào)的平面規(guī)劃

14、避免接地回路

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由兩個(gè)走線連接形成的接地回路

根據(jù)經(jīng)驗(yàn), “接地回路”一詞可以指系統(tǒng)受到接地電位差異影響的任何情況。 一個(gè)典型的例子是,當(dāng)兩個(gè)模塊通過(guò)一根長(zhǎng)電纜連接時(shí),電纜中的返回電流導(dǎo)致一個(gè)模塊的接地電壓明顯高于另一個(gè)模塊的接地電壓。不過(guò),這里專門指的是接地回路。例如:

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接地回路

如果你必須使用單獨(dú)的 PCB 走線進(jìn)行大量接地連接,則創(chuàng)建如上圖所示的環(huán)路其實(shí)很容易。

接地平面的存在并不意味著不可能創(chuàng)建接地回路,因?yàn)?CAD 程序不會(huì)阻止你在接地點(diǎn)之間繪制軌跡。但是,如果你始終使用過(guò)孔或通孔進(jìn)行接地連接,那么問(wèn)題應(yīng)該會(huì)在很大程度上消失:通過(guò)將過(guò)孔放到平面上,你可以直接從組件連接到接地點(diǎn),該接地點(diǎn)通過(guò)低阻抗連接到所有其他接地電路中的點(diǎn)。

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避免接地回路

在 PCB 布局中正確放置組件很重要。可以在組件正下方進(jìn)行分割接地層的連接,以避免接地回路。

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避免接地回路

在具有多個(gè)子系統(tǒng)的 PCB 布局中,可以仔細(xì)布置混合信號(hào)組件,以便在組件下方連接板分區(qū)以避免接地環(huán)路。

以上就是關(guān)于 PCB接地技巧,希望大家多多支持。

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:四、PCB 接地技巧

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