中興設(shè)計(jì)規(guī)范與指南pcb接地設(shè)計(jì)PPT課件

1、接地設(shè)計(jì)規(guī)范與指南PCB 的接地設(shè)計(jì)眭詩(shī)菊 范大祥 編制PCB的接地設(shè)計(jì)要求PCB的接地設(shè)計(jì)，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)總的接地設(shè)計(jì)方案，如：?jiǎn)伟迳系木S護(hù)地、屏蔽地、任務(wù)地包括數(shù)字地和模擬地等如何與背板銜接，背板上的這些地又如何與系統(tǒng)的各種地匯接，在PCB上落實(shí)系統(tǒng)接地方案對(duì)PCB板的接地設(shè)計(jì)要求。任務(wù)地任務(wù)地信號(hào)回路的電位基準(zhǔn)點(diǎn)直流電源的負(fù)極或零伏點(diǎn)，在單板上可分為數(shù)字地GNDD與模擬地GNDA。數(shù)字地銜接數(shù)字元器件接地端，模擬地銜接模擬元器件接地端。理想的任務(wù)地是電路參考點(diǎn)的等電位平面。但在實(shí)踐的設(shè)計(jì)中，任務(wù)地被作為信號(hào)電流的低阻抗回路和電源的供電回路。這樣就會(huì)產(chǎn)生常遇到的三個(gè)問(wèn)題：共模干擾、信號(hào)

2、串?dāng)_和幅射。共模干擾電壓一切的導(dǎo)體都具有一定的阻抗，電流流經(jīng)地時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生壓降。流經(jīng)任務(wù)地中的電流主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一是信號(hào)的回流；另一個(gè)是電源的電流需求沿任務(wù)地前往。 以下圖表示了典型的信號(hào)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)任務(wù)地時(shí)產(chǎn)生的共模噪聲電壓。串?dāng)_ PCB上相鄰的印制線之間存在互感和耦合電容，當(dāng)信號(hào)電壓或電流隨時(shí)間快速變化時(shí),會(huì)對(duì)周?chē)男盘?hào)產(chǎn)生不可忽視的串?dāng)_。圖a是串?dāng)_的等效電路。圖b是集總參數(shù)下串?dāng)_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。輻射與干擾 PCB上的快速變化的電流回路，其作用相當(dāng)于小回路天線，它會(huì)向外進(jìn)

3、展電磁場(chǎng)幅射。圖a，屬于差模輻射方式。幅射的電場(chǎng)強(qiáng)度與回路中電流的大小Io、回路的面積A、電流的頻率的二次方成正比。同理，PCB上的信號(hào)回路小回路天線也會(huì)接納周?chē)焖僮兓碾姶艌?chǎng)，而產(chǎn)生干擾電流。 如圖b，當(dāng)出入PCB的電纜上存在共模電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共模幅射。幅射的電場(chǎng)強(qiáng)度與共模電流的大小、共模電流的頻率、線的長(zhǎng)度成正比。同時(shí)，它也會(huì)對(duì)PCB上的電路產(chǎn)生共模干擾。PCB接地設(shè)計(jì)原那么共模干擾、串?dāng)_和幅射干擾都與PCB的接地設(shè)計(jì)有親密的關(guān)系。一個(gè)好的設(shè)計(jì)可以有效控制信號(hào)回路的阻抗和回路面積，以及干擾電流的幅度。b確定高di/dt 、高dv/dt電路產(chǎn)生輻射b PCB設(shè)計(jì)開(kāi)場(chǎng)時(shí)，首先要確定電路中能夠

4、的干擾源。普通是高di/dt 、高dv/dt電路，如：時(shí)鐘、總線緩沖器/驅(qū)動(dòng)器、高功率振蕩器。在PCB規(guī)劃、布線和檢查時(shí)對(duì)它們給予特別關(guān)注。b確定敏感電路易受干擾b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(shí)鐘。在設(shè)計(jì)時(shí)留意隔離和維護(hù)。PCB接地設(shè)計(jì)原那么續(xù)b最小化地電感和信號(hào)回路b信號(hào)線應(yīng)該盡量短，信號(hào)回路面積盡量小。對(duì)速度較高的電路應(yīng)b用有地平面的多層板。b關(guān)鍵電路包括器件和走線，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離板的邊緣。板的邊緣存在b較強(qiáng)的干擾場(chǎng)。b地平面分割與不分割的合理運(yùn)用b 對(duì)于混合電路，假設(shè)數(shù)字地與模擬地分割，不會(huì)出現(xiàn)或可以很好解b 決信號(hào)跨越和信號(hào)回路的問(wèn)題，可以采用分割。 否那么

5、，建議采用b “分區(qū)但不分割的方法。即：部分和布線時(shí)嚴(yán)厲區(qū)分?jǐn)?shù)字與模擬b 區(qū)域，防止數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)出現(xiàn)公共回流途徑。但地層并不b 分割開(kāi)。防止信號(hào)跨越而構(gòu)成大的信號(hào)回路。PCB接地設(shè)計(jì)原那么續(xù)b接口地堅(jiān)持“干凈， 使噪聲無(wú)法經(jīng)過(guò)耦合出入系統(tǒng)b 出入PCB板信號(hào)，特別是經(jīng)過(guò)電纜銜接的信號(hào)易將噪聲耦合出入b 系統(tǒng)，留意堅(jiān)持I/O地不遭到共模干擾。接口部分的電源地盡量采b 用平面。b電路合理分區(qū)，控制不同模塊之間的共模電流b 對(duì)于純數(shù)字電路，應(yīng)該留意按電路任務(wù)速率高、中、低以及I/Ob 進(jìn)展分區(qū)。以減少電路模塊之間的共模電流。b貫徹系統(tǒng)的接地方案b PCB上的接地設(shè)計(jì)，應(yīng)該符合設(shè)備系統(tǒng)的總接地方

6、案。b 特別是單板、背板，以及與機(jī)框機(jī)架需求搭接的地方，PCB上應(yīng)b 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。雙面板接地設(shè)計(jì)梳形電源、地構(gòu)造* 任何電路都不宜直接采用梳形的地構(gòu)造，由圖可以看出信號(hào)的回流都必需折回根部，回路面積大。但只需對(duì)較重要的信號(hào)加以地維護(hù)，布線完成之后將空的地方都敷上地銅皮，并用多個(gè)過(guò)孔將兩層的地銜接在一同，這個(gè)缺陷可以得到彌補(bǔ)。這種構(gòu)造只適用于低速電路，PCB上信號(hào)的走向較單一，而且走線密度較低的情況。雙面板接地設(shè)計(jì)續(xù)柵格形地構(gòu)造 * 柵格形地構(gòu)造，電源和地分別從PCB的頂層和底層，以正交方式引出，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

7、。 * 與梳形比較，柵格形地構(gòu)造信號(hào)回路較小。柵格形地構(gòu)造適用于低速的CMOS和普通的TTL電路，但應(yīng)該留意對(duì)較高速的信號(hào)加足夠的地維護(hù)，使回路面積和回流途徑的電感到達(dá)最小。多層板的接地設(shè)計(jì)有完好地平面的多層板之優(yōu)點(diǎn)(1) 信號(hào)提供較穩(wěn)定的參考電平和低電感的信號(hào)回路，使一切 信號(hào)線具有確定的阻抗值；(2) 為電路提供低電感的任務(wù)電源供電；(3) 可以控制信號(hào)間的串?dāng)_。多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù)信號(hào)回流當(dāng)信號(hào)的頻率較低時(shí),信號(hào)的回流主要沿最低電阻途徑，即幾何最短途徑,如圖a。當(dāng)信號(hào)到達(dá)一定頻率F1KHz時(shí),信號(hào)的回流集中沿最低電感途徑，如圖b，前往電流主要沿印制線的下方回流。圖中的虛線表示信號(hào)的回流。信

8、號(hào)頻率較高時(shí)的回流分布多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù) 信號(hào)回路的構(gòu)成頻率較高時(shí)，不論信號(hào)緊靠的是電源平面還是地網(wǎng)絡(luò)平面，頻率較高時(shí)，不論信號(hào)緊靠的是電源平面還是地網(wǎng)絡(luò)平面，信號(hào)的前往電流總是沿緊靠的參考平面回流。信號(hào)的前往電流總是沿緊靠的參考平面回流。多層板的接地設(shè)計(jì)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(hào)回路中起橋梁作用； 3應(yīng)該糾正一切信號(hào)只能從地回流、電源平面不重要的片面觀念。VCCGNDGND無(wú)損耗傳輸線等效電路多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù)參考平面被分割的影響等效設(shè)計(jì)人員常犯的錯(cuò)誤是，以為時(shí)鐘信號(hào)很重要，所以要把它走在

9、地網(wǎng)絡(luò)平面上，如左圖。如此會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：1假設(shè)該地網(wǎng)絡(luò)平面相鄰的不是另一地平面，時(shí)鐘信號(hào)線離地平面較遠(yuǎn)，中間還有信號(hào)層，呵斥時(shí)鐘信號(hào)線本身的阻抗難以控制，呵斥信號(hào)完好性問(wèn)題；2由于時(shí)鐘信號(hào)線走在地網(wǎng)絡(luò)平面上會(huì)呵斥平面被分割，使分割帶之上的信號(hào)回路必需繞分割帶，回路面積增大。當(dāng)分割帶之上的信號(hào)線較多時(shí)，累積的大信號(hào)回路產(chǎn)生的EMI將不可忽視。多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù) 參考平面上隔離盤(pán)尺寸過(guò)大的影響 走線時(shí)，將信號(hào)過(guò)孔密集地整齊陳列會(huì)在參考平面上產(chǎn)生開(kāi)槽的效果信號(hào)層電源地平面多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù) 參考平面的設(shè)計(jì) 在實(shí)踐的設(shè)計(jì)中，完全制止平面分割是不現(xiàn)實(shí)和不經(jīng)濟(jì)的。例如： 芯片的低功耗化和單板功能的復(fù)雜化

10、，有時(shí)一個(gè)PCB板上會(huì)有三種以上的任務(wù)電源，安排每種電源一層是不適宜的，可把幾種不同的電源安排在同一層面上，這樣，一個(gè)層面就被不同的電源網(wǎng)絡(luò)所分割。 為了防止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(gè)層面就被不同的地平面所分割。對(duì)于數(shù)模混合電路，根據(jù)單板電路的詳細(xì)情況，可采用以下三種方式： 分割； 分割 + 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(méi)有信號(hào)聯(lián)絡(luò)規(guī)劃時(shí)將數(shù)字電路和模擬電路分開(kāi)，器件陳列盡量緊湊，布線時(shí)防止數(shù)字電路的信號(hào)跨越模擬電路區(qū)域，防止模擬電路的信號(hào)跨越數(shù)字電路區(qū)域。兩個(gè)區(qū)域隔離足夠的間隔。數(shù)字地與模擬地分割，然后在插座處單點(diǎn)銜接，見(jiàn)左

11、圖。這樣能最大限制地抑制數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾。多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù) 分割 + 橋接 - 適用于數(shù)字電路與模擬電路之間聯(lián)絡(luò)的信號(hào)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)絡(luò)的信號(hào)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)規(guī)劃，布線時(shí)防止數(shù)字電路內(nèi)部的信號(hào)跨越模擬電路區(qū)域，防止模擬電路內(nèi)部的信號(hào)跨越數(shù)字電路區(qū)域。地層并不分割，是一完好的層面，保證兩個(gè)電路之間聯(lián)絡(luò)的信號(hào)有最小的信號(hào)回路。多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù) 信號(hào)回路的橋接 當(dāng)較重要的信號(hào)不得不跨越參考平面時(shí)，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(hào)跨越后，又能回到原來(lái)的參考平面上。線橋走在信號(hào)

12、層，并且走線盡量地寬。當(dāng)信號(hào)跨越分割后回不到原參考平面上時(shí)，可以在信號(hào)跨越處添加一個(gè)或多個(gè)0.01uF至1 uF的電容為信號(hào)提供回路。這種用途的電容常被籠統(tǒng)地稱(chēng)為Stiching Capacitor。橋接電容應(yīng)盡量接近小于200mil，小于80 mil時(shí)效果更佳要維護(hù)的信號(hào)線，每個(gè)電容所維護(hù)的信號(hào)線不超越5根。如圖，電容的兩端分別接平面各自對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù) 參考平面的處置 1 電源平面緊靠地平面 僅限于高頻電路 當(dāng)電路的任務(wù)頻率很高如：大于100MHz時(shí)，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(gè)地平面用過(guò)孔相連 當(dāng)PCB中有多個(gè)地

13、平面層時(shí)，應(yīng)該在板上用較多分散的過(guò)孔將地平面銜接在一同，特別在信號(hào)集中換層的地方，以便為換層的信號(hào)提供較短回路和降低輻射。如圖在平面的周用過(guò)孔將地平面銜接在一同，可以有效的降低PCB對(duì)外的輻射。多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù) 參考平面的處置續(xù) 3 條件允許時(shí)，采用20H原那么 4加地平面作為信號(hào)隔離層 當(dāng)信號(hào)層數(shù)多需求加隔離層時(shí)，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(jìn)展電源地平面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該控制好平面的延伸區(qū)域。防止不同類(lèi)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(jiàn)圖，模擬電源平面Analog P和數(shù)字地平面 Digital G之間會(huì)相互耦合。見(jiàn)等效電路。

14、 在實(shí)施20H原那么時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先滿(mǎn)足信號(hào)的回路最小，信號(hào)阻抗延續(xù)。即，縮進(jìn)電源平面時(shí)，假設(shè)相鄰的信號(hào)層在電源平面邊緣有走線，可以在此范圍內(nèi)不思索20H原那么，確保信號(hào)不跨越，而且電源平面的邊緣應(yīng)該延伸出信號(hào)線位置。多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù)PCB的疊層設(shè)計(jì) PCB的疊層設(shè)計(jì)不是層的簡(jiǎn)單堆疊，地層的安排是關(guān)鍵，它與信號(hào)的安排和走向有親密的關(guān)系。普通應(yīng)按以下原那么進(jìn)展疊層設(shè)計(jì)： 1 滿(mǎn)足信號(hào)的特征阻抗要求 2 滿(mǎn)足信號(hào)回路最小化原那么 3 滿(mǎn)足最小化PCB內(nèi)的信號(hào)干擾要求 4 滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)原那么 多層板的接地設(shè)計(jì)續(xù)PCB的疊層設(shè)計(jì)舉例 四層板六層板八層板十層板后背板的接地設(shè)計(jì) 對(duì)于有后背板的大型設(shè)備，在功能單

15、板上，各種接地母線或接地平面在插座處集合后經(jīng)過(guò)后背板接到任務(wù)地和任務(wù)地匯流條。維護(hù)地經(jīng)過(guò)后背板接到維護(hù)地匯流條。-48V地經(jīng)過(guò)后背板接到-48V地匯流條。假設(shè)-48V電源與5V或12V 電源有共地的要求如用戶(hù)板，-48V地與任務(wù)地在后背板上接近-48V電源輸入插座位置相連。否那么，-48V地匯流條與任務(wù)地匯流條在接地螺絲處相連。靜電防護(hù)與屏蔽地經(jīng)過(guò)固定螺絲與機(jī)殼良好搭接。 有金屬外殼器件/模塊的接地設(shè)計(jì) 具有金屬外殼的接插件，其金屬外殼應(yīng)與接地的機(jī)殼或底板嚴(yán)密相連。 印制板雙層板在接近接插件的部位，模擬地線、數(shù)字地線、功率地線、繼電器地線、低電平電路地線、-48V地線應(yīng)合并為大面積地線。 印制

16、板多層板的模擬接地面、數(shù)字接地面、功率接地面、繼電器接地面、低電平電路接地面、-48V接地面要堅(jiān)持完好，在接近接插件的部位要多點(diǎn)相連。 對(duì)于有金屬外殼的小型設(shè)備，印制板的地線或接地面應(yīng)經(jīng)過(guò)固定螺絲多點(diǎn)接外殼，且在接近接插件的部位適當(dāng)添加固定螺絲。其他與接插件相連的部件的接地端也應(yīng)就近接外殼。PCB的規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)劃設(shè)計(jì)是PCB接地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一，規(guī)劃時(shí)應(yīng)思索電路的功能模劃分，關(guān)鍵信號(hào)的走向，布通率等要素?；旌想娐返姆謪^(qū)數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)布置，數(shù)字部分和模擬部分單點(diǎn)接地。見(jiàn)圖b，圖中的“GND REF選擇在單板的緊靠插座的位置。 規(guī)劃時(shí)應(yīng)該將數(shù)字電路和模擬電路分開(kāi)，各部分內(nèi)器件陳列盡量緊湊，

17、預(yù)留出足夠的隔離空間。數(shù)字電路的分區(qū)數(shù)字電路必要時(shí)應(yīng)該根據(jù)速率高、中、低速、I/O電路分區(qū)。以減少高速電路對(duì)其它部分的干擾。左圖為處置器電路的分區(qū)。PCB的規(guī)劃設(shè)計(jì)續(xù)高頻高速電路和敏感電路的規(guī)劃高頻高速電路和敏感電路內(nèi)部的規(guī)劃盡量緊湊，最小化敏感信號(hào)回路。高頻高速電路和敏感電路之間的規(guī)劃盡量隔離，以減少高頻高速電路對(duì)敏感電路的干擾。晶振與時(shí)鐘分發(fā)、倍頻器、驅(qū)動(dòng)、串阻應(yīng)盡量集中在一同，并遠(yuǎn)離高速CPU、高速信號(hào)、I/O電路、無(wú)關(guān)的敏感電路、PCB邊緣。維護(hù)器件的規(guī)劃在印制版上，雷擊浪涌維護(hù)器件應(yīng)盡能夠接近插座或印制板的邊緣，維護(hù)地應(yīng)盡能夠粗、短且均勻，維護(hù)地除了與維護(hù)器件相連以外不能與其它元器件

18、和其它地線相連，維護(hù)地與其它焊盤(pán)、走線應(yīng)隔離足夠間隔。PCB的規(guī)劃設(shè)計(jì)續(xù) 端接器件的放置 銜接器的安排由于銜接器的信號(hào)出入PCB時(shí)，容易出現(xiàn)共模干擾問(wèn)題，在安排銜接器位置時(shí)，應(yīng)該防止I/O信號(hào)貫穿PCB的長(zhǎng)邊方向流動(dòng)。 I/O濾波器與變壓器的放置 大電流器件的放置I/O濾波器與變壓器應(yīng)該非常接近I/O銜接器，以免I/O信號(hào)再次被干擾。大電流器件應(yīng)接近電源，遠(yuǎn)離I/O銜接器，減小回流間隔和對(duì)其它信號(hào)線的耦合。PCB的規(guī)劃設(shè)計(jì)續(xù)去耦電容的放置與后背板相連的插座上地線插針的設(shè)計(jì)器件的規(guī)劃應(yīng)該符合公司的工藝要求PCB的布線設(shè)計(jì)1地線應(yīng)該盡量寬，使其有足夠的電流承載才干和最小化的電感。2高速信號(hào)線不要在

19、分割區(qū)上跨越，不要在無(wú)關(guān)的參考平面上方穿行。33W原那么PCB的布線設(shè)計(jì)續(xù)4維護(hù)線 Guard Trace在模擬電路和射頻電路設(shè)計(jì)，以及沒(méi)有電源地平面的雙面板中，經(jīng)常用維護(hù)線來(lái)對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)展維護(hù)，使其免受其它信號(hào)的串?dāng)_。如圖31，普通維護(hù)線銜接地網(wǎng)絡(luò)，并在線的兩端與地相接。頻率很高時(shí)，維護(hù)線上用多個(gè)過(guò)孔接地，過(guò)孔之間的間隔應(yīng)小于板上最高頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/20。對(duì)于有完好地平面的數(shù)字電路，普通可以不用維護(hù)線，假設(shè)有空間足以插入維護(hù)線即信號(hào)線間距大于3倍線寬，那么地平面曾經(jīng)可以有足夠的維護(hù)作用。5一切高頻信號(hào)或敏感信號(hào)必需緊靠完好的參考平面一切高頻信號(hào)或敏感信號(hào)必需緊靠完好的參考平面，以保證其最

20、小化的信號(hào)回路和延續(xù)的阻抗。以減小信號(hào)的反射和輻射，提高信號(hào)的穩(wěn)定性。6高頻信號(hào)或敏感信號(hào)應(yīng)防止太多的過(guò)孔R(shí)AMBUS 有無(wú)過(guò)孔的區(qū)別PCB的布線設(shè)計(jì)續(xù)7I/O信號(hào)避開(kāi)高速和高di/dt信號(hào)等干擾源。銜接器上應(yīng)該安排足夠的接地管腳。8高速信號(hào)的走線不應(yīng)該出現(xiàn)銳角和直角。1GHz以上的信號(hào)應(yīng)該盡量運(yùn)用圓弧 走線。9為了減少高頻信號(hào)的輻射和干擾，高頻信號(hào)盡量安排在內(nèi)層。當(dāng)走線的長(zhǎng)度大于信號(hào)頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/20時(shí)必需走內(nèi)層。 簡(jiǎn)單的估算如下：100MHz 的/20 為150mm，300MHz 的/20 為50mm。 10差分對(duì)應(yīng)平行等距等時(shí)延走線，堅(jiān)持對(duì)稱(chēng)，使電路對(duì)共模干擾有良好的抑制。11金屬殼體的高頻器件下應(yīng)該敷地平面，用多個(gè)過(guò)孔與地平面銜接。該敷地平面噴錫，不要蓋綠油。案例1 ESD實(shí)驗(yàn)單板復(fù)位案例2 信號(hào)跨越構(gòu)成大信號(hào)回路呵斥系統(tǒng)缺點(diǎn)問(wèn)題描畫(huà)：?jiǎn)栴}描畫(huà)： 某單板在進(jìn)展某單板在進(jìn)展ESDESD實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)鐘基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)鐘基準(zhǔn)