PCB布局中的单点接地与多(duō)点接地

2021-03-26

為(wèi)印刷電(diàn)路板提供良好的接地系统可(kě)能(néng)是PCB布局最重要的方面之一。有(yǒu)数字，模拟，机箱和接地，它们的功能(néng)对于電(diàn)路板的整體(tǐ)性能(néng)都很(hěn)重要。電(diàn)路板中的接地系统将执行所有(yǒu)工作，从保持稳定的参考電(diàn)平到為(wèi)信号和電(diàn)流提供清晰的返回路径。 

我们将研究PCB设计中的单点接地与多(duō)点接地，以及在下一个布局中连接接地时需要了解的知识。

单点接地与多(duō)点接地-哪个？

印刷電(diàn)路板上可(kě)以使用(yòng)许多(duō)不同的接地，最常见的示例之一是混合信号板上的数字接地和模拟接地。接地将需要连接，如何进行取决于您的设计是否需要单点接地或多(duō)点接地。让我们探索这两种类型。 

单点接地

接地彼此不同的電(diàn)路板被称為(wèi)单点或“星形”接地。这种方法通常用(yòng)于低频应用(yòng)中，并且在板上有(yǒu)一个接地点，这些接地点都绑在一起了。如果是分(fēn)割接地平面，则数字和模拟接地平面将在分(fēn)割之间的某一点绑在一起。

多(duō)点接地

此接地策略用(yòng)于以较高频率工作的電(diàn)路板。并非每个接地電(diàn)路在一个平面上最终在一个点上相互连接在一起，而是将所有(yǒu)接地電(diàn)路共享在同一平面上。不同的電(diàn)路都通过低阻抗连接连接到一个参考接地层。缩短的连接有(yǒu)助于降低在较高频率下可(kě)能(néng)产生的EMI。

单点接地系统在较低频率下运行效果更好，而多(duō)点接地系统在较高频率下运行效果更好。在许多(duō)情况下，電(diàn)路板的供電(diàn)网络中存在单点接地和多(duō)点接地的混合情况。但是，必须牢记接地系统如何连接的一些重要点，以避免出现问题，我们将在接下来的内容中进行介绍。

拆分(fēn)平面在電(diàn)路板上设置。

接地平面配置不正确的问题

如果所有(yǒu)返回電(diàn)流都流经单点，则单点接地系统可(kě)能(néng)会产生问题。这会干扰整个接地平面中高频電(diàn)流的正常流动，进而辐射EMI。在许多(duō)情况下，不同的電(diàn)路最好共享接地层，并在電(diàn)路板的另一层上提供不同的返回路径。保持信号靠近其返回路径也很(hěn)重要，以减少它们将引起的磁环路。

分(fēn)离平面的另一个问题是，它可(kě)能(néng)导致接地電(diàn)流环路。通过嵌入迹線(xiàn)或拆分(fēn)平面，您可(kě)能(néng)会阻塞返回路径并无意间创建了循环。最好保持接地平面完整，并避免形成会阻塞返回路径的情况，例如过孔，槽或其他(tā)平面障碍物(wù)的高密度區(qū)域。如果要有(yǒu)单独的数字和模拟接地层，通常建议将它们放在電(diàn)路板的不同层上，并且不要重叠，以帮助最大程度地减小(xiǎo)两者之间的電(diàn)容耦合。

在PCB设计中，通常要查看電(diàn)路板上所有(yǒu)未布線(xiàn)的网络，并在您的工作流程中将走線(xiàn)布線(xiàn)置于最高优先级。但是，实际上，每个信号都有(yǒu)一个返回路径，该路径必须通过参考平面返回到源。如果未正确设计接地平面以传导这些返回路径，则信号的性能(néng)将受到威胁。因此，布局工程师必须同时考虑设计的布線(xiàn)和接地。 

一条走線(xiàn)不正确的走線(xiàn)可(kě)能(néng)会导致该信号出现问题，而设计不佳的接地策略可(kě)能(néng)会冒着整个電(diàn)路板运行的风险。话虽如此，让我们接下来看一下设计接地平面的一些最佳实践。

在Cadence Allegro的“动态形状参数”菜单中设置散热释放连接。

接地平面的PCB布局最佳做法

在开始布局之前，必须使用(yòng)所有(yǒu)正确的参数和设置来设置電(diàn)路板。此过程的一部分(fēn)是通过权衡制造成本和電(diàn)路板的布線(xiàn)密度和信号完整性要求来设置電(diàn)路板的层堆叠配置。敏感信号将需要带状線(xiàn)层配置，可(kě)能(néng)需要布線(xiàn)多(duō)个電(diàn)源，并且正如我们已经讨论的，電(diàn)路板的接地也是一个因素。

在对電(diàn)路板进行布局时，将需要确定创建接地层的策略。通常，接地平面是通过称為(wèi)浇注铜的过程创建的。设计人员将绘制平面轮廓，然后系统将根据已為(wèi)其设置的参数来形成平面。在上图中，您可(kě)以在Allegro PCB编辑器的“动态形状实例参数”菜单中查看这些参数的示例。正在建立散热装置连接，并且还有(yǒu)其他(tā)选项卡可(kě)用(yòng)于设置平面的间隙，空隙和填充图案。这些参数也可(kě)以在现有(yǒu)平面上进行更改，这在创建两个需要不同参数的平面时非常有(yǒu)用(yòng)。

实施平面策略后，设计人员可(kě)以继续进行走線(xiàn)布線(xiàn)。在布線(xiàn)与参考接地层耦合的走線(xiàn)时，请牢记以下一些基本规则： 

不要越过分(fēn)裂的飞机；您将阻塞信号的清晰返回路径，并可(kě)能(néng)在電(diàn)路上产生大量噪声。

路由敏感信号时，请尽可(kě)能(néng)将它们保持在一层上，并靠近其参考平面以进行耦合。

如果必须更改图层，请尝试将图层限制在参考平面的任一侧，以保持清晰的信号返回路径。

如果您不得不穿过更多(duō)的层，请在信号过孔旁边使用(yòng)接地转接过孔，以继续信号返回路径。

对于電(diàn)源和接地连接，请使用(yòng)短而宽的走線(xiàn)，以降低其阻抗。

為(wèi)了设计具有(yǒu)良好单点或多(duō)点接地系统的電(diàn)路板，设计人员需要遵循许多(duō)规则。幸运的是，您使用(yòng)的PCB设计工具内置了很(hěn)多(duō)功能(néng)来提供帮助。

Allegro中的约束管理(lǐ)器，显示為(wèi)電(diàn)网设置的参数。

设置用(yòng)于生成地平面的设计工具

如前所述，使用(yòng)“动态形状实例参数”菜单可(kě)以轻松实现控制如何创建或更改地平面的功能(néng)。但是，電(diàn)源和接地网还有(yǒu)其他(tā)方面也需要控制。这些包括布線(xiàn)期间使用(yòng)的走線(xiàn)宽度和间距，以及将使用(yòng)哪种类型的通孔。Allegro中的约束管理(lǐ)器使设计人员能(néng)够设置所有(yǒu)这些不同的参数。

如您在上图中所看到的，接地网和電(diàn)力网被分(fēn)组到一个网络类别中，在其中可(kě)以轻松控制它们的不同参数。约束管理(lǐ)器使用(yòng)電(diàn)子表格样式的界面，使用(yòng)户可(kě)以完全控制板的网络，组件以及从電(diàn)气属性到制造规则的许多(duō)其他(tā)方面。约束管理(lǐ)器可(kě)以导入或导出其规则，从而可(kě)以轻松利用(yòng)新(xīn)设计中的现有(yǒu)规则為(wèi)新(xīn)设计快速设置约束。