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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,單擊以編輯母版標題樣式,單擊以編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第,*,頁,接地設(shè)計規(guī)范與指南,PCB,的接地設(shè)計,眭詩菊 范大祥 編制,2024/11/27,1,PCB的接地設(shè)計要求,PCB的接地設(shè)計，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)總的接地設(shè)計方案，如：單板上的保護地、屏蔽地、工作地（包括數(shù)字地和模擬地）等如何與背板連接，背板上的這些地又如何與系統(tǒng)

2、的各種地匯接，在PCB上落實系統(tǒng)接地方案對PCB板的接地設(shè)計要求。,2024/11/27,2,工作地,工作地信號回路的電位基準點（直流電源的負極或零伏點），在單板上可分為數(shù)字地GNDD與模擬地GNDA。數(shù)字地連接數(shù)字元器件接地端，模擬地連接模擬元器件接地端。,理想的工作地是電路參考點的等電位平面。但在實際的設(shè)計中，工作地被作為信號電流的低阻抗回路和電源的供電回路。這樣就會產(chǎn)生常遇到的三個問題：共模干擾、信號串擾和幅射。,2024/11/27,3,共模干擾電壓,所有的導(dǎo)體都具有一定的阻抗，電流流經(jīng)地時，同樣會產(chǎn)生壓降。流經(jīng)工作地中的電流主要來自兩個方面，一是信號的回流；另一個是電源的電流需要沿工

3、作地返回。下圖表示了典型的信號和電源共地邏輯電路PCB上共模電壓的產(chǎn)生。其中，Vnoise 是電流流經(jīng)工作地時產(chǎn)生的共模噪聲電壓。,2024/11/27,4,串擾,PCB上相鄰的印制線之間存在互感和耦合電容，當信號電壓或電流隨時間快速變化時,會對周圍的信號產(chǎn)生不可忽視的串擾。圖（a）是串擾的等效電路。圖（b）是集總參數(shù)下串擾（Crosstalk）與線間距D和印制線離地平面（參考平面）高度H之間的關(guān)系。,2024/11/27,5,輻射與干擾,PCB上的快速變化的電流回路，其作用相當于小回路天線，它會向外進行電磁場幅射。圖（a），屬于差模輻射方式。幅射的電場強度與回路中電流的大小Io、回路的面積A

4、、電流的頻率的二次方成正比。同理，PCB上的信號回路（小回路天線）也會接收周圍快速變化的電磁場，而產(chǎn)生干擾電流。,如圖（b），當出入PCB的電纜上存在共模電流時，會產(chǎn)生共模幅射。幅射的電場強度與共模電流的大小、共模電流的頻率、線的長度成正比。同時，它也會對PCB上的電路產(chǎn)生共模干擾。,2024/11/27,6,PCB接地設(shè)計原則,共模干擾、串擾和幅射干擾都與PCB的接地設(shè)計有密切的關(guān)系。一個好的設(shè)計可以有效控制信號回路的阻抗和回路面積，以及干擾電流的幅度。,確定高di/dt、高dv/dt電路（產(chǎn)生輻射）,PCB設(shè)計開始時，首先要確定電路中可能的干擾源。一般是高di/dt,、高dv/dt電路,，

5、如：時鐘、總線緩沖器/驅(qū)動器、高功率振蕩器。在PCB布局、布線和檢查時對它們給予特別關(guān)注。,確定敏感電路（易受干擾）,確定電路中易受干擾的敏感電路，如：低電平模擬電路，高速數(shù)據(jù)和時鐘。在設(shè)計時注意隔離和保護。,2024/11/27,7,PCB接地設(shè)計原則,（續(xù)）,最小化地電感和信號回路,信號線應(yīng)該盡量短，信號回路面積盡量小。對速度較高的電路應(yīng),用有地平面的多層板。,關(guān)鍵電路包括器件和走線，應(yīng)盡量遠離板的邊緣。板的邊緣存在,較強的干擾場。,地平面分割與不分割的合理應(yīng)用,對于混合電路，若數(shù)字地與模擬地分割，不會出現(xiàn)或能夠很好解,決信號跨越和信號回路的問題，可以采用分割。否則，建議采用,“分區(qū)但不分

6、割”的方法。即：局部和布線時嚴格區(qū)分數(shù)字與模擬,區(qū)域，避免數(shù)字信號與模擬信號出現(xiàn)公共回流路徑。但地層并不,分割開。避免信號跨越而形成大的信號回路。,2024/11/27,8,PCB接地設(shè)計原則,（續(xù)）,接口地保持“干凈”，使噪聲無法通過耦合出入系統(tǒng),出入PCB板信號，特別是通過電纜連接的信號易將噪聲耦合出入,系統(tǒng)，注意保持I/O地不受到共模干擾。接口部分的電源地盡量采,用平面。,電路合理分區(qū)，控制不同模塊之間的共模電流,對于純數(shù)字電路，應(yīng)該注意按電路工作速率高、中、低以及I/O,進行分區(qū)。以減少電路模塊之間的共模電流。,貫徹系統(tǒng)的接地方案,PCB上的接地設(shè)計，應(yīng)該符合設(shè)備系統(tǒng)的總接地方案。,特

7、別是單板、背板，以及與機框機架需要搭接的地方，PCB上應(yīng),該 備有系統(tǒng)要求的安裝孔、噴錫或采用其它鍍層的導(dǎo)電接觸面。,2024/11/27,9,雙面板接地設(shè)計,梳形電源、地結(jié)構(gòu),*任何電路都不宜直接采用梳形的地結(jié)構(gòu)，由圖可以看出信號的回流都必須折回根部，回路面積大。但只要對較重要的信號加以地保護，布線完成之后將空的地方都敷上地銅皮，并用多個過孔將兩層的地連接在一起，這個缺陷可以得到彌補。這種結(jié)構(gòu)只適用于低速電路，PCB上信號的走向較單一，而且走線密度較低的情況。,2024/11/27,10,雙面板接地設(shè)計,（續(xù)）,柵格形地結(jié)構(gòu),*,柵格形地結(jié)構(gòu)，電源和地分別從PCB的頂層和底層，以正交方式引出

8、，在電源和地交叉處放置去耦電容，電容的兩端分別接電源和地。,*與梳形比較，柵格形地結(jié)構(gòu)信號回路較小。柵格形地結(jié)構(gòu)適用于低速的CMOS和普通的TTL電路，但應(yīng)該注意對較高速的信號加足夠的地保護，使回路面積和回流路徑的電感達到最小。,2024/11/27,11,多層板的接地設(shè)計,有完整地平面的多層板之優(yōu)點,(1),信號提供較穩(wěn)定的參考電平和低電感的信號回路，使所有,信號線具有確定的阻抗值；,(2),為電路提供低電感的工作電源供電；,(3),可以控制信號間的串擾。,2024/11/27,12,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,信號回流,當信號的頻率較低時,信號的回流主要沿最低電阻路徑，即幾何最短路徑,如圖（

9、a）。,當信號達到一定頻率（F1KHz）時,信號的回流集中沿最低電感路徑，如圖（b），返回電流主要沿印制線的下方回流。圖中的虛線表示信號的回流。,信號頻率較高時,的回流分布,2024/11/27,13,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,信號回路的構(gòu)成,頻率較高時，不論信號緊靠的是電源平面還是地網(wǎng)絡(luò)平面，信號的返回電流總是沿緊靠的參考平面回流。,2024/11/27,14,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,由回路的構(gòu)成可以得出：,1）回路的構(gòu)成上，電源平面與地網(wǎng)絡(luò)平面同樣重要；,2）濾波電容不僅起平滑電源、為電源去耦的作用。它還在信號回路中起橋梁作用；,3）應(yīng)該糾正所有信號只能從地回流、電源平面不重要的片面觀點

10、。,VCC,GND,GND,無損耗傳輸線等效電路,2024/11/27,15,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,參考平面被分割的影響,等效,設(shè)計人員常犯的錯誤是，認為時鐘信號很重要，所以要把它走在地網(wǎng)絡(luò)平面上，如左圖。如此會帶來以下問題：,（1）若該地網(wǎng)絡(luò)平面相鄰的不是另一地平面，時鐘信號線離地平面較遠，中間還有信號層，造成時鐘信號線本身的阻抗難以控制，造成信號完整性問題；,（2）由于時鐘信號線走在地網(wǎng)絡(luò)平面上會造成平面被分割，使分割帶之上的信號回路必須繞分割帶，回路面積增大。當分割帶之上的信號線較多時，累積的大信號回路產(chǎn)生的EMI將不可忽視。,2024/11/27,16,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,參

11、考平面上隔離盤尺寸過大的影響,走線時，將信號過孔密集地整齊排列會在參考平面上產(chǎn)生開槽的效果,信號層,電源地平面,2024/11/27,17,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,參考平面的設(shè)計,在實際的設(shè)計中，完全禁止平面分割是不現(xiàn)實和不經(jīng)濟的。,例如：,芯片的低功耗化和單板功能的復(fù)雜化，有時一個PCB板上會有三種以上的工作電源，安排每種電源一層是不合適的，可把幾種不同的電源安排在同一層面上，這樣，一個層面就被不同的電源網(wǎng)絡(luò)所分割。,為了避免不同的電路之間的干擾，不同的電路設(shè)置不同的地平面，這樣，一個層面就被不同的地平面所分割,。對于數(shù)?；旌想娐?，,根據(jù)單板電路的具體情況，可采用以下三種方式：分割；分割+

12、橋接；分區(qū)但不分割。,分割 -,適用于,數(shù)字電路與模擬電路之間沒有信號聯(lián)系,布局時將數(shù)字電路和模擬電路分開，器件排列盡量緊湊，布線時避免數(shù)字電路的信號跨越模擬電路區(qū)域，避免模擬電路的信號跨越數(shù)字電路區(qū)域。兩個區(qū)域隔離足夠的距離。,數(shù)字地與模擬地分割，然后在插座處單點連接，見左圖。這樣能最大限度地抑制數(shù)字電路對模擬電路的干擾。,2024/11/27,18,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,分割+橋接-,適用于,數(shù)字電路與模擬電路之間聯(lián)系的信號線較少且集中,分區(qū)但不分割-,適用于,數(shù)字電路與模擬電路之間聯(lián)系的信號線較多且難以集中在一塊,將數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)布局，布線時避免數(shù)字電路內(nèi)部的信號跨越模擬電路

13、區(qū)域，避免模擬電路內(nèi)部的信號跨越數(shù)字電路區(qū)域。地層并不分割，是一完整的層面，保證兩個電路之間聯(lián)系的信號有最小的信號回路。,2024/11/27,19,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,信號回路的橋接,當較重要的信號不得不跨越參考平面時，可以采用以下的,橋接方法：,（1）,跨線橋接 （2）電容橋接,跨線橋接適用于信號跨越后，又能回到原來的參考平面上。線橋走在信號層，并且走線盡量地寬。,當信號跨越分割后回不到原參考平面上時，可以在信號跨越處增加一個（或多個）0.01uF至1 uF的電容為信號提供回路。這種用途的電容常被形象地稱為Stiching Capacitor。橋接電容應(yīng)盡量靠近（小于200mil，小

14、于80 mil時效果更佳）要保護的信號線，每個電容所保護的信號線不超過5根。如圖，電容的兩端分別接平面各自對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。,2024/11/27,20,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,參考平面的處理,（1）電源平面緊靠地平面（僅限于高頻電路）,當電路的工作頻率很高（如：大于100MHz）時，電源平面應(yīng)該緊靠地平面，這樣可以最大化電源平面與地平面的電容耦合，降低電源的噪聲。,（2）,多個地平面用過孔相連,當PCB中有多個地平面層時，應(yīng)該在板上用較多分散的過孔將地平面連接在一起，特別在信號集中換層的地方，以便為換層的信號提供較短回路和降低輻射。如圖在平面的周用過孔將地平面連接在一起，可以有效的降低PCB對外

15、的輻射。,2024/11/27,21,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,參考平面的處理（續(xù)）,（3）條件允許時，采用20H原則,（4）,加地平面作為信號隔離層,當信號層數(shù)多需要加隔離層時，宜加地平面作為隔離層，不要加電源層作為隔離層。,（5）,控制好平面的延伸區(qū)域,在進行電源地平面設(shè)計時，應(yīng)該控制好平面的延伸區(qū)域。避免不同類型電路的參考平面交疊，平行的帶電平面之間存在電容耦合。見圖，模擬電源平面Analog P和數(shù)字地平面 Digital G之間會相互耦合。見等效電路。,在實施20H原則時，應(yīng)該優(yōu)先滿足信號的回路最小，信號阻抗連續(xù)。即，縮進電源平面時，若相鄰的信號層在電源平面邊緣有走線，可以在此范圍內(nèi)

16、不考慮20H原則，確保信號不跨越，而且電源平面的邊緣應(yīng)該延伸出信號線位置。,2024/11/27,22,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,PCB的疊層設(shè)計,PCB的疊層設(shè)計不是層的簡單堆疊，地層的安排是關(guān)鍵，它與信號的安排和走向有密切的關(guān)系。一般應(yīng)按以下原則進行疊層設(shè)計：,（1）,滿足信號的特征阻抗要求,（2）,滿足信號回路最小化原則,（3）,滿足最小化PCB內(nèi)的信號干擾要求,（4）,滿足對稱原則,2024/11/27,23,多層板的接地設(shè)計,（續(xù)）,PCB的疊層設(shè)計舉例,四層板,六層板,八層板,十層板,2024/11/27,24,后背板的接地設(shè)計,對于有后背板的大型設(shè)備，在功能單板上，各種接地母線或接地平面在插座處匯合后經(jīng)過后背板接到工作地和工作地匯流條。保護地通過后背板接到保護地匯流條。-48V地通過后背板接到-48V地匯流條。如果-48V電源與,5V或,12V 電源有共地的要求（如用戶板），-48V地與工作地在后背板上（靠近-48V電源輸入插座位置）相連。否則，-48V地匯流條與工作地匯流條在接地螺絲處相連。靜電防護與屏蔽地通過固定螺絲與機殼良好搭接。,2024/11/27,25,有金屬