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多层堆叠中的PCB接地平面最佳实践
多层堆叠中的PCB接地平面最佳实践
当我刚开始使用现代CAD工具进行PCB设计时，我对电路板的接地采取了相当简单的看法。作为物理学家进入这个行业，我受过训练，可以根据参考电势，图像电荷以及电磁理论中的许多其他术语来思考事物。一旦完成了生产第一块PCB的工作，并且在设计中发现了异常的噪声和EMI，明确定义接地的重要性就会变得更加明显。
在堆叠中使用PCB接地层是确保电源和信号完整性以及保持EMI低的第一步。但是，关于接地层的一些错误说法似乎仍然存在，并且我已经看到经验丰富的设计师在PCB布局中定义接地时会犯一些简单的错误。如果您有兴趣防止过多的辐射并确保布局中的信号完整性，请遵循以下简单准则在下一块板上实现PCB接地层。
为什么要使用PCB接地板？
在概述如何在设计中使用接地和PCB接地层之前，有一些重要的设计目标可帮助您实现接地：
明确定义的阻抗：高速/高频互连需要具有明确定义的阻抗，以便信号可以与具有特定系统阻抗（通常为50欧姆）的其他组件连接。
返回路径： PCB接地层为互连上的电流提供了清晰的返回路径，该路径以位移电流的形式在接地区域中传播。这样可以使环路电感较小，并确保低EMI辐射，这是在多层PCB叠层中使用接地层或接地的铜粉的主要原因。
EMI屏蔽和抑制： EMI双向，并且设计中的接地铜可以屏蔽外部EMI源。
去耦和稳定电源：这可能是在多层PCB中使用接地层的最不为人知的原因。一对大电源平面和接地平面将充当一个大的去耦电容器，有助于保持电路板上的电源稳定。
在某些情况下，分段浇铸而不是分流平面浇铸铜，这可能很难满足上面列出的设计目标。这些布线问题以及保持良好定义的接地层都会产生较大的环路电感，从而导致EMI。
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特征 |
问题 |
解决方案 |
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在地平面中的分割上布线 |
创建具有高环路电感的长返回路径→强大的EMI和串扰 |
保持均匀的接地层，并尽量减少分裂，并跟踪电路板上的返回路径 |
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没有均匀平面的铜浇注区域 |
使返回路径难以跟踪并导致阻抗定义不正确 |
将各区域绑扎在一起，并用铜浇铸填充空隙，仅在均匀区域上走 |
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电源导轨和地面之间的重叠很小 |
在高速板上，由于平面间电容低，这将产生弱的去耦 |
确保电源和接地层重叠并跨整个板 |
请注意，即使您的接地平面均匀，如果系统的布局不紧凑，仍会形成较长的返回路径。无需在整个板上形成锯齿状的走线，而在这种情况下，具有统一的接地层将无法解决EMI问题。
如何处理多个地面参考
很多时候，原理图中会有两个不同的接地网，然后将它们复制到PCB上。作为一个示例，这在电隔离功率转换器（例如，谐振LLC转换器）和许多工业以太网设计中很常见，在这些设计中，系统的高/低压侧或数字/模拟侧具有自己的接地区域。然后将接地区域通过0欧姆的电阻器或电容器彼此绑在一起。
如果您的电路板需要多个接地，则您的PCB布局和布线策略现在需要考虑您的真实接地基准在哪里以及返回电流如何传播到基准网中。这与上表中的第1点和第2点有关，看到经验丰富的设计师遵循过时的设计实践会产生EMI问题，这仍然很常见：将接地层分成多个浇铸铜区域。用这种方法将PCB接地层分开，很难定义清晰的返回路径，从而导致较大的环路电感，不正确的阻抗和辐射EMI。
分裂的理由和不应该做的事
考虑下面显示的示例布局。在此示例中，我们有两个接地区域，它们在顶层物理隔离。在第3层上有缝合过孔将GND区域绑回到相同的多边形上，在第2层上还有其他低速信号。
PCB地平面设计示例，我们需要固定单独的平面。
绿色组件是USB接口，蓝色组件是连接GND和SGND区域的电容器。如果我们要处理较慢的信号，则在EMI方面可能会很好，因为这种特殊布置中的寄生环路电感不是很大。由于我们正在处理USB，因此最好安全地使用USB，并在这些区域下方放置均匀的接地层。在铜浇注中，在此间隙以下缺少接地层会产生差分阻抗不连续性，并导致通过电容器的返回路径过长。该返回路径将具有较高的环路电感，从而导致更大的EMI和串扰。
就我个人而言，我不会担心电容器，也不会将接地区域完全分开，除非在这种类型的系统中存在某些隔离的原因（例如，低压区域与高压区域，操作员安全问题，某些行业）标准等）。除非需要电流隔离并且不设计高速返回路径，否则应仅使用统一的接地层。也可以在整个表层上倒入地面，然后将其绑回到主PCB接地层。您将消除在接地平面上的间隙中布线时会看到的辐射EMI问题，并确保表面层上不同信号之间具有高度隔离。
总之，当您需要提供清晰的返回路径时，请使用PCB接地层，并且不要在接地层中放置缝隙和间隙以创建具有不同组件块的区域。需要一些技巧来确保PCB不同部分之间的返回路径不会重叠并产生串扰
如果出于某种原因必须在不同的接地区域使用星形接地策略，则在任何情况下都不要在不同接地平面区域之间的无接地区域上开始路由数字信号。这是强辐射EMI和EMC测试失败的秘诀。