PCB设计中的接地和電(diàn)压布線(xiàn)注意事项

2020-04-11

将電(diàn)源線(xiàn)插入墙上插座或打开電(diàn)灯开关非常容易，您可(kě)能(néng)会认為(wèi)将PCB板上的组件连接到電(diàn)源或接地也很(hěn)容易。说实话，PCB设计曾经是这种情况。在信号和電(diàn)源完整性不是很(hěn)重要的板上，您可(kě)以将过孔放到電(diàn)源或接地层中，而不必理(lǐ)会。

然而，根据当今電(diàn)子产品的设计要求，管理(lǐ)電(diàn)源分(fēn)配网络有(yǒu)很(hěn)多(duō)事情，而不仅仅是在设计中添加一些过孔。您需要考虑PDN对電(diàn)路板其余部分(fēn)的影响，同时仍要确保设备可(kě)以使用(yòng)适当的電(diàn)源和接地网。这需要您的電(diàn)路板的接地和電(diàn)压布線(xiàn)方面的技巧，我们在这里有(yǒu)一些想法可(kě)以提供帮助。

PCB板上的接地和電(diàn)压布線(xiàn)

尽管当今密集的多(duō)层板普遍用(yòng)于先进的電(diàn)子设备，但仍然需要便宜的两层板。对于不需要太多(duō)電(diàn)路的设备（例如玩具或其他(tā)简单的消费类产品），仍然首选两层板以减少制造时间和成本。但是，与此同时，这些電(diàn)子设备的性能(néng)仍在不断提高，这需要对電(diàn)路板的供電(diàn)网络的设计进行更多(duō)的努力。

仅需使用(yòng)两层，就不会有(yǒu)可(kě)用(yòng)于電(diàn)源和接地层的内部层，因此您将必须路由電(diàn)源。建议在大多(duō)数应用(yòng)中，设计人员使用(yòng)可(kě)能(néng)的最小(xiǎo)走線(xiàn)宽度，并且仍然可(kě)以以低廉的价格制造。通常这最终是信号的6百万迹線(xiàn)，功率的20百万迹線(xiàn)。请记住，功率的走線(xiàn)宽度与電(diàn)流成正比-如果電(diàn)流增加，走線(xiàn)宽度就会增加，反之亦然。  

布線(xiàn)时，应将信号和電(diàn)源布線(xiàn)放在顶层，并在底层保留返回路径。最简单的方法是将底层专用(yòng)為(wèi)坚固的接地平面。您可(kě)能(néng)最终不得不使用(yòng)某些底层进行信号路由，但是如果要确保為(wèi)信号返回维护清晰的路径。

使用(yòng)底层接地还可(kě)以帮助您解决噪声和其他(tā)信号完整性问题，但同时也会占用(yòng)大量空间。因此，重要的是仔细规划顶层的電(diàn)源布線(xiàn)，以确保電(diàn)源在整个板上的分(fēn)布均匀。 

您还需要计划信号路由，以使敏感走線(xiàn)不会离電(diàn)源走線(xiàn)太近。请记住，仅因為(wèi)两层板的制造成本较低，并不能(néng)使其更容易设计。实际上，您可(kě)能(néng)会发现，设计具有(yǒu)布線(xiàn)的電(diàn)源走線(xiàn)的两层板比您预期的要困难得多(duō)。

如果您希望為(wèi)電(diàn)路板布局的更大布線(xiàn)考虑做更多(duō)准备，请阅读我们有(yǒu)关PCB布線(xiàn)的出色電(diàn)子书。它提供以下方面的见解：

信号或关键區(qū)域网的网络管理(lǐ)策略

通过使用(yòng)

管理(lǐ)堆栈注意事项

如果要处理(lǐ)特别密集或极具挑战性的電(diàn)路板布局，则可(kě)能(néng)需要刷新(xīn)或重新(xīn)考虑。 

从组件到電(diàn)源和地面的连接

无论您的電(diàn)源和地面是通过走線(xiàn)，通过星型连接进行電(diàn)源信号布線(xiàn)还是通过实體(tǐ)平面进行布線(xiàn)，您仍然都需要将组件连接到它。尽管信号返回路径的接地连接不需要比常规信号走線(xiàn)更多(duō)的金属，但是传导大電(diàn)流的连接需要更多(duō)的金属。不利的一面是金属充当散热器，因此可(kě)能(néng)在制造过程中引起焊接问题。為(wèi)了解决这个问题，在将组件引脚连接到電(diàn)源和接地时使用(yòng)散热片非常重要。

散热是将一部分(fēn)金属从与销的连接处移除的方式，目的是降低其导热能(néng)力。如果没有(yǒu)散热，则焊接引脚所需的热量将很(hěn)容易被金属平面吸收，而不是停留在需要的引脚上。

在PCB设计中，您将看到表面贴装和通孔组件引脚上的散热片变化：

SMT引脚： 

如果将SMT引脚连接到具有(yǒu)大面积金属的電(diàn)源或接地，则可(kě)能(néng)导致它们与连接较少金属的引脚之间发生热不平衡。在较小(xiǎo)的两脚离散零件中，这种不平衡可(kě)能(néng)导致被称為(wèi)“ 墓碑 ” 的情况。这是一个引脚上的焊料回流速度比另一引脚快的地方，并将该部件向上拉并遠(yuǎn)离另一引脚。

当将分(fēn)立的SMT引脚连接到接地或電(diàn)压布線(xiàn)时，一般使用(yòng)足够宽的走線(xiàn)宽度以满足電(diàn)流需求，以提供散热。这将有(yǒu)助于使器件的两个引脚保持热平衡。 

小(xiǎo)离散零件的另一个问题是将一个引脚放置在大面积的金属上。尽管这提供了很(hěn)好的電(diàn)气性能(néng)，但它也表现為(wèi)巨大的散热器，与另一个引脚产生了很(hěn)多(duō)热失衡。满足電(diàn)气设计和PCB制造需求的实践是将SMT引脚连接到多(duō)条走線(xiàn)或“纽带”。这為(wèi)SMT引脚提供了焊接所需的散热。

通孔销： 

通孔引脚与電(diàn)源和接地走線(xiàn)的连接通常与其他(tā)任何走線(xiàn)一样，都需要直接从走線(xiàn)到引脚的焊盘进行连接。如果走線(xiàn)比焊盘宽，或者有(yǒu)金属填充區(qū)域（例如電(diàn)源或接地层），则需要使用(yòng)散热垫. 

这些散热装置可(kě)提供足够数量的金属来传导電(diàn)流，但会减少金属平面会从引脚拉出的热量。

電(diàn)源和地平面的优缺点

如果要设计多(duō)层電(diàn)路板，则可(kě)能(néng)需要為(wèi)专用(yòng)電(diàn)源和接地层配置板层堆叠。使用(yòng)飞机的很(hěn)大优势在于，它提供了一种将组件连接到電(diàn)源和接地的简便方法，而无需像在两层板上那样通过宽走線(xiàn)布線(xiàn)。在设计中使用(yòng)接地层还可(kě)以為(wèi)您带来许多(duō)其他(tā)好处，包括：

返回路径：信号将从其源传播到目的地，然后需要返回其源。如果没有(yǒu)清晰的返回路径，它们在周围徘徊时会产生很(hěn)多(duō)噪声，这可(kě)能(néng)会影响其他(tā)電(diàn)路。接地平面将提供该简单的返回路径。

屏蔽：接地层将帮助屏蔽敏感電(diàn)路，使其免受外部電(diàn)磁干扰（EMI）的影响，并使内部产生的EMI不会影响其他(tā)设备。此外，在设计中在有(yǒu)源信号层之间使用(yòng)接地层将有(yǒu)助于减少层之间宽边耦合或串扰的可(kě)能(néng)性。

降低噪声：随着数字電(diàn)路切换状态，它们将通过接地電(diàn)路产生噪声脉冲，这可(kě)能(néng)会在其他(tā)電(diàn)路中造成虚假切换。接地平面的大面积将有(yǒu)助于减小(xiǎo)这种影响，因為(wèi)它的阻抗比接地線(xiàn)穿过走線(xiàn)的阻抗低。

散热：接地层也為(wèi)热运行的组件提供了良好的散热片。通过将这些具有(yǒu)孔的部件穿过電(diàn)路板连接到接地层，热量可(kě)以在電(diàn)路板上均匀分(fēn)布。

另一方面，在使用(yòng)電(diàn)源和接地层时也需要注意一些缺点。平面将增加板的层数，这将增加制造成本。電(diàn)路的不同區(qū)域（例如数字和模拟）将需要仔细管理(lǐ)其接地，以使来自一个電(diàn)路的噪声不会对另一个電(diàn)路产生不利影响。并且，在使用(yòng)拆分(fēn)后的飞机以容纳多(duō)个電(diàn)源或接地网时，必须格外小(xiǎo)心。这对于信号返回路径尤其重要，因為(wèi)分(fēn)离平面可(kě)能(néng)会无意间破坏或阻塞本应畅通无阻的路径。

但是，所有(yǒu)这些问题都是PCB设计过程的一部分(fēn)，可(kě)以使用(yòng)更高PCB设计工具来熟练地解决这些问题。

先进的PCB设计工具如何发挥作用(yòng)

PCB设计的接地和電(diàn)压布線(xiàn)将是设计过程的主要部分(fēn)。幸运的是，您拥有(yǒu)PCB设计工具的功能(néng)和功能(néng)。

完整的布線(xiàn)和平面创建实用(yòng)程序可(kě)為(wèi)您提供对電(diàn)源和接地设计的完全控制，包括创建拆分(fēn)平面和控制散热垫。

仿真和分(fēn)析工具，可(kě)在您投入生产之前监视设计的工作方式。