PCB设计中的接地和电压布线注意事项

2020-04-11

将电源线插入墙上插座或打开电灯开关非常容易，您可能会认为将PCB板上的组件连接到电源或接地也很容易。说实话，PCB设计曾经是这种情况。在信号和电源完整性不是很重要的板上，您可以将过孔放到电源或接地层中，而不必理会。

然而，根据当今电子产品的设计要求，管理电源分配网络有很多事情，而不仅仅是在设计中添加一些过孔。您需要考虑PDN对电路板其余部分的影响，同时仍要确保设备可以使用适当的电源和接地网。这需要您的电路板的接地和电压布线方面的技巧，我们在这里有一些想法可以提供帮助。

PCB板上的接地和电压布线

尽管当今密集的多层板普遍用于先进的电子设备，但仍然需要便宜的两层板。对于不需要太多电路的设备（例如玩具或其他简单的消费类产品），仍然首选两层板以减少制造时间和成本。但是，与此同时，这些电子设备的性能仍在不断提高，这需要对电路板的供电网络的设计进行更多的努力。

仅需使用两层，就不会有可用于电源和接地层的内部层，因此您将必须路由电源。建议在大多数应用中，设计人员使用可能的最小走线宽度，并且仍然可以以低廉的价格制造。通常这最终是信号的6百万迹线，功率的20百万迹线。请记住，功率的走线宽度与电流成正比-如果电流增加，走线宽度就会增加，反之亦然。  

布线时，应将信号和电源布线放在顶层，并在底层保留返回路径。最简单的方法是将底层专用为坚固的接地平面。您可能最终不得不使用某些底层进行信号路由，但是如果要确保为信号返回维护清晰的路径。

使用底层接地还可以帮助您解决噪声和其他信号完整性问题，但同时也会占用大量空间。因此，重要的是仔细规划顶层的电源布线，以确保电源在整个板上的分布均匀。 

您还需要计划信号路由，以使敏感走线不会离电源走线太近。请记住，仅因为两层板的制造成本较低，并不能使其更容易设计。实际上，您可能会发现，设计具有布线的电源走线的两层板比您预期的要困难得多。

如果您希望为电路板布局的更大布线考虑做更多准备，请阅读我们有关PCB布线的出色电子书。它提供以下方面的见解：

信号或关键区域网的网络管理策略

通过使用

管理堆栈注意事项

如果要处理特别密集或极具挑战性的电路板布局，则可能需要刷新或重新考虑。 

从组件到电源和地面的连接

无论您的电源和地面是通过走线，通过星型连接进行电源信号布线还是通过实体平面进行布线，您仍然都需要将组件连接到它。尽管信号返回路径的接地连接不需要比常规信号走线更多的金属，但是传导大电流的连接需要更多的金属。不利的一面是金属充当散热器，因此可能在制造过程中引起焊接问题。为了解决这个问题，在将组件引脚连接到电源和接地时使用散热片非常重要。

散热是将一部分金属从与销的连接处移除的方式，目的是降低其导热能力。如果没有散热，则焊接引脚所需的热量将很容易被金属平面吸收，而不是停留在需要的引脚上。

在PCB设计中，您将看到表面贴装和通孔组件引脚上的散热片变化：

SMT引脚： 

如果将SMT引脚连接到具有大面积金属的电源或接地，则可能导致它们与连接较少金属的引脚之间发生热不平衡。在较小的两脚离散零件中，这种不平衡可能导致被称为“ 墓碑 ” 的情况。这是一个引脚上的焊料回流速度比另一引脚快的地方，并将该部件向上拉并远离另一引脚。

当将分立的SMT引脚连接到接地或电压布线时，一般使用足够宽的走线宽度以满足电流需求，以提供散热。这将有助于使器件的两个引脚保持热平衡。 

小离散零件的另一个问题是将一个引脚放置在大面积的金属上。尽管这提供了很好的电气性能，但它也表现为巨大的散热器，与另一个引脚产生了很多热失衡。满足电气设计和PCB制造需求的实践是将SMT引脚连接到多条走线或“纽带”。这为SMT引脚提供了焊接所需的散热。

通孔销： 

通孔引脚与电源和接地走线的连接通常与其他任何走线一样，都需要直接从走线到引脚的焊盘进行连接。如果走线比焊盘宽，或者有金属填充区域（例如电源或接地层），则需要使用散热垫. 

这些散热装置可提供足够数量的金属来传导电流，但会减少金属平面会从引脚拉出的热量。

电源和地平面的优缺点

如果要设计多层电路板，则可能需要为专用电源和接地层配置板层堆叠。使用飞机的很大优势在于，它提供了一种将组件连接到电源和接地的简便方法，而无需像在两层板上那样通过宽走线布线。在设计中使用接地层还可以为您带来许多其他好处，包括：

返回路径：信号将从其源传播到目的地，然后需要返回其源。如果没有清晰的返回路径，它们在周围徘徊时会产生很多噪声，这可能会影响其他电路。接地平面将提供该简单的返回路径。

屏蔽：接地层将帮助屏蔽敏感电路，使其免受外部电磁干扰（EMI）的影响，并使内部产生的EMI不会影响其他设备。此外，在设计中在有源信号层之间使用接地层将有助于减少层之间宽边耦合或串扰的可能性。

降低噪声：随着数字电路切换状态，它们将通过接地电路产生噪声脉冲，这可能会在其他电路中造成虚假切换。接地平面的大面积将有助于减小这种影响，因为它的阻抗比接地线穿过走线的阻抗低。

散热：接地层也为热运行的组件提供了良好的散热片。通过将这些具有孔的部件穿过电路板连接到接地层，热量可以在电路板上均匀分布。

另一方面，在使用电源和接地层时也需要注意一些缺点。平面将增加板的层数，这将增加制造成本。电路的不同区域（例如数字和模拟）将需要仔细管理其接地，以使来自一个电路的噪声不会对另一个电路产生不利影响。并且，在使用拆分后的飞机以容纳多个电源或接地网时，必须格外小心。这对于信号返回路径尤其重要，因为分离平面可能会无意间破坏或阻塞本应畅通无阻的路径。

但是，所有这些问题都是PCB设计过程的一部分，可以使用更高PCB设计工具来熟练地解决这些问题。

先进的PCB设计工具如何发挥作用

PCB设计的接地和电压布线将是设计过程的主要部分。幸运的是，您拥有PCB设计工具的功能和功能。

完整的布线和平面创建实用程序可为您提供对电源和接地设计的完全控制，包括创建拆分平面和控制散热垫。

仿真和分析工具，可在您投入生产之前监视设计的工作方式。