了解两层 PCB 中的接地层

2021-06-16

了解两层 PCB 中的接地层

放置接地层和接地布線(xiàn)是两层或多(duō)层 PCB 中最重要的两个设计指南。正确执行此操作有(yǒu)助于降低对 EMI 的敏感性、抑制串扰并防止接地环路。这些噪声源会降低信号完整性，而适当的電(diàn)路板接地平面设计技术将确保您的设备发挥最佳性能(néng)。

我的两层 PCB 需要接地层吗？

如果您不熟悉 PCB 设计，您的第一个 PCB 可(kě)能(néng)是两层板，因為(wèi)从布局和信号完整性的角度来看，它们相对容易使用(yòng)。您将拥有(yǒu)有(yǒu)限的空间，因為(wèi)您不会通过内部信号层路由信号。这是在确定是否包括接地平面以及将其放置在電(diàn)路板上的位置时要考虑的第一点。大多(duō)数 PCB 设计人员会发誓使用(yòng)地平面，这当然是处理(lǐ)高速/高频信号时的最佳选择。从 EMC 的角度来看，将接地层与 PCB 的信号层分(fēn)离将提供一定程度的保护，防止来自外部源的辐射 EMI。

使用(yòng) 2 层 PCB 接地平面也比仅布線(xiàn)接地迹線(xiàn)更可(kě)取。当高速/高频信号通过電(diàn)缆在電(diàn)路板之间布線(xiàn)时，将返回迹線(xiàn)与信号迹線(xiàn)相邻布線(xiàn)是在多(duō)板设计中最小(xiǎo)化 EMI 敏感性的一种策略。将接地回路尽可(kě)能(néng)靠近信号線(xiàn)放置，可(kě)使回路信号紧随迹線(xiàn)，从而最大限度地降低环路電(diàn)感和 EMI 敏感性。

几乎每块包含多(duō)个组件的電(diàn)路板都没有(yǒu)足够的空间在所有(yǒu)信号走線(xiàn)旁边布置返回走線(xiàn)。在两层 PCB 的底层放置一个地平面提供相同的效果；将接地层放置在信号走線(xiàn)下方还可(kě)以减少信号看到的环路面积。理(lǐ)想情况下，信号走線(xiàn)应尽可(kě)能(néng)靠近地平面，以抑制相邻走線(xiàn)之间的串扰，这可(kě)能(néng)需要使用(yòng)更薄的電(diàn)路板。

在相关组件和信号走線(xiàn)下方放置接地平面还允许您通过过孔将接地回路直接从组件布線(xiàn)到接地平面。然后返回信号将沿着阻抗最小(xiǎo)的路径返回到電(diàn)源返回。这还允许您轻松地在关键组件的電(diàn)源连接和接地层之间放置旁路/去耦電(diàn)容器，从而允许電(diàn)源连接中的任何高频波动（例如，来自开关電(diàn)源的传导 EMI）到达相关组件。

通过正确的布線(xiàn)和接地技术防止 EMI

地平面截面网格化

可(kě)以在两层 PCB 中使用(yòng)的一种技术是网格化，而不是在整个底层放置一个连续的接地平面。電(diàn)源和接地走線(xiàn)以差分(fēn)方式布線(xiàn)，模拟一对電(diàn)源線(xiàn)。可(kě)以扩展每条接地迹線(xiàn)以尽可(kě)能(néng)多(duō)地填充空的 PCB 空间，并且所有(yǒu)剩余的空空间都可(kě)以用(yòng)接地填充填充。这种技术将使您的 2 层板具有(yǒu)与四层 PBC 叠层相同的降噪水平。

另一种解决方案是在两层上使用(yòng)两个垂直的网格图案，网格可(kě)以在网格交叉的点与通孔连接。这可(kě)确保网格的所有(yǒu)部分(fēn)保持几乎相同的電(diàn)位，并為(wèi)两层上的组件提供一些额外的空间。这种设计的一个潜在问题是单层网格之间的布線(xiàn)。在这种情况下，接地迹線(xiàn)可(kě)以紧挨着信号迹線(xiàn)布線(xiàn)，其中接地迹線(xiàn)通过过孔连接到相对层的接地部分(fēn)。

与许多(duō)设计选择一样，网格化代表了一种权衡：您可(kě)以在電(diàn)路板上获得更多(duō)的空间，并可(kě)以通过创造性的布線(xiàn)创建低電(diàn)感電(diàn)流环路，但会失去一些由连续接地层提供的 EMI 保护。网格化所需的过孔还充当電(diàn)感阻抗不连续性，从而产生高速信号的信号完整性问题。网格还可(kě)以在组件周围形成导電(diàn)回路，辐射EMI可(kě)以在该导體(tǐ)回路中感应電(diàn)流。更好的选择是将组件放置在另一层接地网格上方的一层上。

总而言之，小(xiǎo)心网格。某些设计指南将推荐在两层板中使用(yòng)网格作為(wèi)在单层上使用(yòng)连续接地平面的替代方案。对于低速/低频信号或与机箱有(yǒu)足够屏蔽的直流板，这可(kě)能(néng)没问题。然而，在没有(yǒu)屏蔽的高速/高频情况下或具有(yǒu)显着辐射 EMI 的环境中，牺牲電(diàn)路板空间并在底层选择连续地平面可(kě)能(néng)是更好的主意。

混合信号？在地平面中创建截面

一些简单的 2 层 PCB 接地平面设计可(kě)能(néng)仍需要在同一块板上整合数字和模拟信号。最佳做法是将背面层的接地平面分(fēn)成数字部分(fēn)和模拟部分(fēn)，但让这两个平面在靠近電(diàn)源回路的地方连接。这可(kě)确保数字信号不会沿着敏感模拟组件下方的返回路径传播。

混合信号两层 PCB 的地平面可(kě)以有(yǒu)一个分(fēn)隔不同部分(fēn)的凹口，尽管在凹口上布線(xiàn)会為(wèi)地平面中的返回信号创建一个非常大的返回路径，不建议这样做。这些走線(xiàn)将产生强烈辐射，并且電(diàn)路将具有(yǒu)较大的环路電(diàn)感，从而导致对辐射 EMI 的敏感性更高。完全分(fēn)开接地平面并尝试使用(yòng)铁氧體(tǐ)磁珠之类的东西使各部分(fēn)具有(yǒu)相同的電(diàn)位是一个坏主意，因為(wèi)这会产生比它解决的更多(duō)的 EMI 和噪声问题。