如何减少 PCB组装中的地弹

2021-10-28

如何减少 PCB组装中的地弹

地弹是PCB组件中的噪声源。防止这种情况很重要，因为它会中断高速或高频操作。接地反弹的主要原因是电路上不同点的接地电位差。

噪声是任何电路中都不需要的元素。因此，在电路板设计中，会考虑所有可能的噪声源并实施所需的解决方案。地弹是这些噪声源之一。在组装过程中，所有组件和走线都接地。由于某些差异，电路中各个接地点之间可能存在电位差。在本文中，我们将帮助您了解地弹的原因、影响和预防技巧。

PCBA中的地弹是什么？

电路板组件上的所有接地点都应该处于相同的电位。由于某些原因，单板接地参考点的电压会出现波动。这种现象称为地弹。

理想情况下，对于安装在板上的 IC 封装：

实际上，这些潜在的差异并不总是相同的。在我们详细解释造成这种差异的原因之前，让我们先看看电子组件接地的有效方法。

如何正确接地电路板？

在变电站和传输设备等大型电气系统中，电流的返回路径直接连接到物理接地。这种方法称为直接接地。然而，许多电子电路缺乏这种规定。汽车或航天器中的电路板组件与物理接地隔离。因此，为了提供电流返回路径，设计人员使点或平面保持在地电位。这种方法称为间接接地。

电路板中不同类型的接地是：

底盘接地

连接到设备金属外壳的公共接地点称为机箱接地。PCB上的所有接地点都聚集在一起在这一点上连接。它为设备提供电击保护和物理屏蔽。该接地可防止电流流过机箱的整个表面区域。因此，不会形成引起 EMF 的接地回路。

信号地

信号地是板上测量信号的一个点。该参考点通常位于电路板表面并连接到内部接地平面。可以在信号接地点上注入噪声。这就是为什么这些点被放置在 PCB本身上而不是隔离到不同的位置。

对于处理精确低电压（如医疗PCB）的电路板，更清洁的信号接地是一个重要参数。在这些电路板中，即使是很小的噪声信号也会产生信号完整性问题。

同一电路板的模拟和数字部分允许共享相同的信号地。

地平面

接地层是保持在 0V 电位的PCB叠层上的一层。它充当参考平面和通过电路板循环的返回电流的汇。来自表面的信号接地点通过过孔连接到接地层。接地层提供有效的信号返回、电压返回，并减少噪声和干扰。保持地平面连续是一个很好的做法。这将避免形成提供替代电流返回路径的接地回路，从而中断操作。

大地

接地是从电路到物理接地的直接连接。这种接地在电子电器中很突出。电气互连中的短路或与设备底盘/覆盖物接触的带电组件是危险的。操作人员接触底盘会触电。因此，所有高压电路都需要接地。

什么导致接地回路？

接地回路是由整个电路的接地电位差引起的多个电流返回路径。因此，电流通过比所需路径更短的其他路径循环。理想情况下，PCB组件上的所有接地点和平面都应具有相同的电位。但在实际场景中，将 IC 连接到电路板的引线中存在电感。该电感会产生小电压降并成为接地反弹的原因。

感应寄生电感的值非常小，但对于晶体管等器件来说是不可忽视的。这些器件是由逻辑门构成的高速开关电路。晶体管的信号电压在高 1 和低 0 之间切换。

当IC电压为1时，表示输出电压接近V CC 。同样，如果电压为 0，则表明输出电压正在接近地电位（0V）。由于上述电感，接地电压开始波动或反弹至 0V 以外的其他值。这就是地面弹跳背后的原因。

地弹导致电路将低 (0) 误解为高 (1)。因此，整个电路板上的数字逻辑器件的操作都会受到影响。

除了对操作的影响外，地弹被认为是 PCBA 上的噪声。因此它降低了信号完整性。因此，设计师采取必要的指导方针来消除地面弹跳。

地弹是如何产生的？

使用下面给出的电路也可以清楚地解释地弹的产生。

用于说明地弹的模型电路

该图显示了一个将 CMOS 连接到具有 C L电容和 R L电阻的输出负载的电路。其他参数如下：

L A : 封装电源引线中的固有电感

L B : 封装输出引线中的本征电感

L C : CMOS 封装接地引线中的本征电感

R 1 : CMOS IC的输出电阻

现在让我们假设输出从高 (1) 变为低 (0) 的场景。在这种情况下，电流从负载侧流出，负载电容放电。该电流 (I) 流过电感 LB 和 LC 会产生电压 V = L(dv/dt)。这种产生的电压导致内部 CMOS 地电位与外部负载地电位不同。因此，与外部接地的零电位相比，内部参考接地处于更高的电位。这种差异表现为电路中的噪声，并影响电路中开关器件的操作。

通过示波器观察到的电路的地弹振荡如下所示。

地弹波形

顶部波形代表开关器件 I/O 引脚的输出。底部波形显示由于地弹引起的尖峰（噪声）。

如何减少地弹

PCB设计人员一直在寻找减少地弹的技巧。最常用的方法是在电路上放置一个旁路电容。旁路电容器有效地绕过电压尖峰和电源噪声。它连接在IC 封装的 V CC和 GND 引脚之间。

旁路电容有什么作用？

电容器在交流和直流电路中的行为不同。在直流电路中，它被充电到电源电流，然后完全阻止电流流动。在交流电路中，它为瞬态信号到地提供了一条简单的路径。因此，作为瞬态信号的地弹或噪声被直接旁路到地。直流信号将被电容器阻挡，因此流经电路并刺激操作。

使用旁路电容器消除噪音

电容器设计参数

引线电感是一个关键因素

多层陶瓷片式电容器（MLCC）是常用的

最大电容器电流取决于最大脉冲压摆率

从低到高切换时消耗的电流量

旁路电容应该放在PCB的什么位置？

旁路电容器尽可能靠近组件的电源引脚放置。该电容器充当晶体管等开关组件的本地电荷存储。额外的电压尖峰存储在这个电容器中，而不是通过电路循环。

因此，所有接地点将处于相同电位，不会出现地弹噪声。以下是与旁路电容器相关的更多设计指南：

使用宽和短的走线和过孔将旁路电容焊盘连接到电源和接地引脚。这最大限度地减少了电感并改善了电流。

集成 SMD 电容器。

添加靠近电容器焊盘的过孔。

旁路电容和去耦电容有什么区别？

电容器被广泛用作旁路和去耦元件。这些术语在电路板设计中极为常见，因此让我们来看看两者之间的区别。

旁路电容	去耦电容
将噪声信号旁路到地面	将两个电路彼此分开
放置在电源电压和接地引脚之间	与电源和负载并联放置
将交流信号短接到地	为高频信号创建低阻抗路径

减少地弹的布局设计规则

在设计允许的情况下，尽可能使用焊盘内过孔。

减少信号返回路径距离。减小的距离将减小寄生电容。为此，最好将组件放置在其接地点正上方。

不要使用插座或绕线板。

切勿共用接地过孔或走线进行接地连接。建议使用单独的过孔和走线连接到地平面。

推荐的接地连接

不要将电容器直接连接到输出。

实施低压差分信号 (LVDS) 作为 I/O 标准。该标准提供高带宽和高抗噪性。

选择短引线封装以降低串联电感。也推荐使用BGA。

使用实心地平面来减少 IR 损耗和电感。避免接地分离平面。

如果设计允许，尽量使用较低的开关元件。

地弹减少技术可实现更好的信号完整性。这些方法消除了电路中的所有瞬态噪声，从而提高了效率。我们希望本文能帮助您更接近完美的无噪声电路板设计。如果您有任何疑问，请在评论部分告诉我们。