布局中最好的PCB接地技術

2021-09-15

布局中最好的PCB接地技術

當應用于電路板設計時，這句話具有堅實的基礎和精心設計的PCB接地系統的雙重含義。在電子領域，良好的供電網絡依賴于強大的接地系統，為電路板提供堅實的基礎。

現代高速電子設備需要精心設計的地面系統才能以最佳性能運行。如果在實施PCB接地時沒有適當注意，電路板可能會遇到許多不同的噪聲和電磁干擾 (EMI) 問題。以下是有關PCB接地技術的一些其他詳細信息，它們應該有助于您進行下一個電路板設計。

PCB接地技術——不僅僅是簡單地布線網絡

PCB設計中的接地網在外觀上可能具有欺騙性。是的，有很多連接，但由于大多數設計在其層堆疊中都有一個或多個地平面，您只需添加一個接地過孔，工作就完成了。對？從技術上講，這是正確的，但實際上，要構建良好的供電網絡，還需要更多的東西進入PCB接地技術。

電路板需要精心設計的供電網絡(PDN) 來為設計中的所有組件提供清潔電源。否則，電路板可能會遇到不同的電源完整性問題，這些問題表現在以下方面：

PDN 噪聲會導致電壓電平不一致。

由于電壓不足導致電路故障。

PDN 產生的串擾導致信號誤解。

通過電路板輻射的 EMI。

電路板設計人員必須為最佳供電網絡布置 PDN，以避免這些問題。

接地策略

首要決定之一將是決定接地策略是什么。低頻應用有時會使用單點或“星形”接地技術，其中不同的接地僅在電路板上的一個點連接在一起。高頻電路板將使用多接地策略，其中電路板上的所有接地連接通過低阻抗連接共享同一平面。這種技術的縮短連接有助于減少可能在更高頻率下產生的 EMI。

參考平面

PCB接地技術的另一個重要方面是如何配置參考平面。信號將使用其可用的最簡單和最低阻抗的路徑作為返回路徑，理想情況下將是為其準備的接地層。PCB設計人員必須為其布局配置足夠的參考平面和清晰的返回路徑，以防止信號四處游蕩并產生額外的噪聲和干擾。接下來，我們將在研究高速設計中的PCB接地技術時更多地研究參考平面。

像這樣的屏蔽區域充分利用了電路板中設計的PCB接地技術

高速設計中的電源完整性

為您的高速電路設置最佳接地策略的第一部分是正確設置板層堆疊。顯然，必須考慮制造和裝配方面的問題，這就是為什么最好在開始布局之前與您的制造商合作以選擇最佳材料。您將需要設置帶狀線層配置并針對要布置的不同類型的電路適當地劃分設計。

接下來是元件放置。放置高速元件有許多規則，包括遵循信號路徑并為逃逸孔留出足夠的空間以及部件之間的密集總線布線。對于接地，您需要盡可能靠近電源和接地連接放置旁路電容，并使用短的直接走線和過孔將它們路由到接地層。您還需要確保您的部件放置不會無意中允許走線穿過平面分割（如下圖所示）。您還需要放置零件以避免電路的其他區域，例如模擬或電源分區。

設計電路板的目標之一是以盡可能具有最佳信號完整性的方式對其進行布局。您已經為帶狀線布線設置了板層堆疊配置，您必須在這些接地層之間布線阻抗控制網絡。成功的傳輸線布線取決于那些與參考接地平面耦合的跡線，以獲得更清晰和不間斷的信號返回路徑。這些平面還有助于屏蔽高速電路免受內部和外部 EMI 源的影響，接地平面還有助于屏蔽高速電路可能產生的任何 EMI。

電路板中的分裂平面可用于電源或接地網絡

電源布局

許多高速設計的一般規則也適用于如何布置電源電路。例如，短路和直接布線在這些電路中也很重要。以下是您在設計時應考慮的電源布局建議：

組件放置：電源組件需要彼此靠近以限制它們在布線中可能產生的噪聲量。您仍然需要注意制造商的可制造性規則設計，但讓這些部件盡可能靠近。這將允許您保持走線短。此外，請確保不要將您的電源組件放置在高速數字路由區域。保持電路的不同區域彼此分開。

走線：電源走線越短，線路中積聚的電感就越少，有助于減少電路產生的噪聲量。您還必須使用足夠寬的走線來處理電路的電流，而不會冒走線燒穿的風險。

信號和電源完整性：盡可能使用實心平面進行PCB接地，而不是使用走線對其進行布線。這將有助于信號和電源完整性以及更高電流的熱管理。此外，確保接地層足夠大以包含電源電路中的所有組件。這將為 EMI 問題增加另一層保護。

在您的電路板設計中創建最佳 PCB接地技術需要您進行大量工作，但幸運的是，PCB設計 CAD 工具中的許多實用程序可以提供幫助。

設計規則和約束，例如在 Allegro 的約束管理器中，可以幫助 PCB接地

如何使用您的設計工具

將最好的 PCB接地技術設計到電路板的 PDN 中將需要許多不同的走線寬度和間距尺寸，以及各種組件間隙規則。除非您使用 CAD 系統的設計規則和約束，否則很難跟蹤所有這些值。在上圖中，您可以看到如何使用 Cadence 的 Allegro PCB編輯器中的約束管理器為電源網絡設置不同的設計規則。以同樣的方式，您可以使用約束管理器來設置接地網的走線寬度和間距以及用于放置零件的組件到組件間隙值。此類功能可幫助您避免因電源走線太窄或空間不符合正確爬電距離和間隙要求而導致的潛在問題。