多(duō)层堆叠中的PCB接地平面最佳实践

2021-05-26

多(duō)层堆叠中的PCB接地平面最佳实践

当我刚开始使用(yòng)现代CAD工具进行PCB设计时，我对電(diàn)路板的接地采取了相当简单的看法。作為(wèi)物(wù)理(lǐ)學(xué)家进入这个行业，我受过训练，可(kě)以根据参考電(diàn)势，图像電(diàn)荷以及電(diàn)磁理(lǐ)论中的许多(duō)其他(tā)术语来思考事物(wù)。一旦完成了生产第一块PCB的工作，并且在设计中发现了异常的噪声和EMI，明确定义接地的重要性就会变得更加明显。

在堆叠中使用(yòng)PCB接地层是确保電(diàn)源和信号完整性以及保持EMI低的第一步。但是，关于接地层的一些错误说法似乎仍然存在，并且我已经看到经验丰富的设计师在PCB布局中定义接地时会犯一些简单的错误。如果您有(yǒu)兴趣防止过多(duō)的辐射并确保布局中的信号完整性，请遵循以下简单准则在下一块板上实现PCB接地层。

為(wèi)什么要使用(yòng)PCB接地板？

在概述如何在设计中使用(yòng)接地和PCB接地层之前，有(yǒu)一些重要的设计目标可(kě)帮助您实现接地：

明确定义的阻抗：高速/高频互连需要具有(yǒu)明确定义的阻抗，以便信号可(kě)以与具有(yǒu)特定系统阻抗（通常為(wèi)50欧姆）的其他(tā)组件连接。

返回路径： PCB接地层為(wèi)互连上的電(diàn)流提供了清晰的返回路径，该路径以位移電(diàn)流的形式在接地區(qū)域中传播。这样可(kě)以使环路電(diàn)感较小(xiǎo)，并确保低EMI辐射，这是在多(duō)层PCB叠层中使用(yòng)接地层或接地的铜粉的主要原因。

EMI屏蔽和抑制： EMI双向，并且设计中的接地铜可(kě)以屏蔽外部EMI源。

去耦和稳定電(diàn)源：这可(kě)能(néng)是在多(duō)层PCB中使用(yòng)接地层的最不為(wèi)人知的原因。一对大電(diàn)源平面和接地平面将充当一个大的去耦電(diàn)容器，有(yǒu)助于保持電(diàn)路板上的電(diàn)源稳定。

在某些情况下，分(fēn)段浇铸而不是分(fēn)流平面浇铸铜，这可(kě)能(néng)很(hěn)难满足上面列出的设计目标。这些布線(xiàn)问题以及保持良好定义的接地层都会产生较大的环路電(diàn)感，从而导致EMI。

请注意，即使您的接地平面均匀，如果系统的布局不紧凑，仍会形成较長(cháng)的返回路径。无需在整个板上形成锯齿状的走線(xiàn)，而在这种情况下，具有(yǒu)统一的接地层将无法解决EMI问题。

如何处理(lǐ)多(duō)个地面参考

很(hěn)多(duō)时候，原理(lǐ)图中会有(yǒu)两个不同的接地网，然后将它们复制到PCB上。作為(wèi)一个示例，这在電(diàn)隔离功率转换器（例如，谐振LLC转换器）和许多(duō)工业以太网设计中很(hěn)常见，在这些设计中，系统的高/低压侧或数字/模拟侧具有(yǒu)自己的接地區(qū)域。然后将接地區(qū)域通过0欧姆的電(diàn)阻器或電(diàn)容器彼此绑在一起。

如果您的電(diàn)路板需要多(duō)个接地，则您的PCB布局和布線(xiàn)策略现在需要考虑您的真实接地基准在哪里以及返回電(diàn)流如何传播到基准网中。这与上表中的第1点和第2点有(yǒu)关，看到经验丰富的设计师遵循过时的设计实践会产生EMI问题，这仍然很(hěn)常见：将接地层分(fēn)成多(duō)个浇铸铜區(qū)域。用(yòng)这种方法将PCB接地层分(fēn)开，很(hěn)难定义清晰的返回路径，从而导致较大的环路電(diàn)感，不正确的阻抗和辐射EMI。

分(fēn)裂的理(lǐ)由和不应该做的事

考虑下面显示的示例布局。在此示例中，我们有(yǒu)两个接地區(qū)域，它们在顶层物(wù)理(lǐ)隔离。在第3层上有(yǒu)缝合过孔将GND區(qū)域绑回到相同的多(duō)边形上，在第2层上还有(yǒu)其他(tā)低速信号。

PCB地平面设计示例，我们需要固定单独的平面。

绿色组件是USB接口，蓝色组件是连接GND和SGND區(qū)域的電(diàn)容器。如果我们要处理(lǐ)较慢的信号，则在EMI方面可(kě)能(néng)会很(hěn)好，因為(wèi)这种特殊布置中的寄生环路電(diàn)感不是很(hěn)大。由于我们正在处理(lǐ)USB，因此最好安全地使用(yòng)USB，并在这些區(qū)域下方放置均匀的接地层。在铜浇注中，在此间隙以下缺少接地层会产生差分(fēn)阻抗不连续性，并导致通过電(diàn)容器的返回路径过長(cháng)。该返回路径将具有(yǒu)较高的环路電(diàn)感，从而导致更大的EMI和串扰。

就我个人而言，我不会担心電(diàn)容器，也不会将接地區(qū)域完全分(fēn)开，除非在这种类型的系统中存在某些隔离的原因（例如，低压區(qū)域与高压區(qū)域，操作员安全问题，某些行业）标准等）。除非需要電(diàn)流隔离并且不设计高速返回路径，否则应仅使用(yòng)统一的接地层。也可(kě)以在整个表层上倒入地面，然后将其绑回到主PCB接地层。您将消除在接地平面上的间隙中布線(xiàn)时会看到的辐射EMI问题，并确保表面层上不同信号之间具有(yǒu)高度隔离。

总之，当您需要提供清晰的返回路径时，请使用(yòng)PCB接地层，并且不要在接地层中放置缝隙和间隙以创建具有(yǒu)不同组件块的區(qū)域。需要一些技巧来确保PCB不同部分(fēn)之间的返回路径不会重叠并产生串扰

如果出于某种原因必须在不同的接地區(qū)域使用(yòng)星形接地策略，则在任何情况下都不要在不同接地平面區(qū)域之间的无接地區(qū)域上开始路由数字信号。这是强辐射EMI和EMC测试失败的秘诀。