PCB版接地設(shè)計(jì)經(jīng)典

接地設(shè)計(jì)規(guī)范與指南2023/2/3第1頁P(yáng)CB的接地設(shè)計(jì)眭詩菊范大祥編制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：單板上的保護(hù)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)的各種地匯接，在PCB上落實(shí)系統(tǒng)接地方案對PCB板的接地設(shè)計(jì)要求。2023/2/3第2頁工作地工作地——信號回路的電位基準(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)字地連接數(shù)字元器件接地端，模擬地連接模擬元器件接地端。2023/2/3第3頁理想的工作地是電路參考點(diǎn)的等電位平面。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)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?dāng)_和幅射。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。2023/2/3第4頁串?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?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。2023/2/3第5頁輻射與干擾PCB上的快速變化的電流回路，其作用相當(dāng)于小回路天線，它會向外進(jìn)行電磁場幅射。圖（a），屬于差模輻射方式。幅射的電場強(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(dāng)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(qiáng)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。2023/2/3第6頁P(yáng)CB接地設(shè)計(jì)原則共模干擾、串?dāng)_和幅射干擾都與PCB的接地設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系。一個好的設(shè)計(jì)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。2023/2/3第7頁確定高di/dt、高dv/dt電路（產(chǎn)生輻射）

PCB設(shè)計(jì)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，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(jì)時注意隔離和保護(hù)。PCB接地設(shè)計(jì)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(yuǎn)離板的邊緣。板的邊緣存在較強(qiáng)的干擾場。2023/2/3第8頁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)但不分割”的方法。即：局部和布線時嚴(yán)格區(qū)分?jǐn)?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。PCB接地設(shè)計(jì)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。2023/2/3第9頁電路合理分區(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(jìn)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(jì)，應(yīng)該符合設(shè)備系統(tǒng)的總接地方案。特別是單板、背板，以及與機(jī)框機(jī)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。雙面板接地設(shè)計(jì)梳形電源、地結(jié)構(gòu)2023/2/3第10頁*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(hù)，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(bǔ)。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。雙面板接地設(shè)計(jì)（續(xù)）柵格形地結(jié)構(gòu)2023/2/3第11頁*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，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(hù)，使回路面積和回流路徑的電感達(dá)到最小。多層板的接地設(shè)計(jì)有完整地平面的多層板之優(yōu)點(diǎn)2023/2/3第12頁(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?dāng)_。多層板的接地設(shè)計(jì)（續(xù)）信號回流2023/2/3第13頁當(dāng)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（a）。當(dāng)信號達(dá)到一定頻率（F>1KHz）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多層板的接地設(shè)計(jì)（續(xù)）信號回路的構(gòu)成2023/2/3第14頁頻率較高時，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。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(diǎn)。2023/2/3第15頁VCCGNDGND無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2023/2/3第16頁等效設(shè)計(jì)人員常犯的錯誤是，認(rèn)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(yuǎn)，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(dāng)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。多層板的接地設(shè)計(jì)（續(xù)）參考平面上隔離盤尺寸過大的影響2023/2/3第17頁走線時，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多層板的接地設(shè)計(jì)（續(xù)）參考平面的設(shè)計(jì)在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，完全禁止平面分割是不現(xiàn)實(shí)和不經(jīng)濟(jì)的。例如：⑴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。⑵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+橋接；分區(qū)但不分割。2023/2/3第18頁分割--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(diǎn)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。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)系的信號線較少且集中2023/2/3第19頁分區(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。多層板的接地設(shè)計(jì)（續(xù)）信號回路的橋接當(dāng)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2023/2/3第20頁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(dāng)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1uF的電容為信號提供回路。這種用途的電容常被形象地稱為StichingCapacitor。橋接電容應(yīng)盡量靠近（小于200mil，小于80mil時效果更佳）要保護(hù)的信號線，每個電容所保護(hù)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)。多層板的接地設(shè)計(jì)（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(dāng)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(dāng)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對外的輻射。2023/2/3第21頁多層板的接地設(shè)計(jì)（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(dāng)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(jìn)行電源地平面設(shè)計(jì)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AnalogP和數(shù)字地平面DigitalG之間會相互耦合。見等效電路。2023/2/3第22頁在實(shí)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(jìn)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)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。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(jìn)行疊層設(shè)計(jì)：（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

2023/2/3第23頁多層板的接地設(shè)計(jì)（續(xù)）PCB的疊層設(shè)計(jì)舉例

2023/2/3第24頁四層板六層板八層板十層板后背板的接地設(shè)計(jì)

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(hù)地通過后背板接到保護(hù)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(hù)與屏蔽地通過固定螺絲與機(jī)殼良好搭接。

2023/2/3第25頁有金屬外殼器件/模塊的接地設(shè)計(jì)⑴具有金屬外殼的接插件，其金屬外殼應(yīng)與接地的機(jī)殼或底板緊密相連。⑵印制板（雙層板）在靠近接插件的部位，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。⑶印制板（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接地面要保持完整，在靠近接插件的部位要多點(diǎn)相連。⑷對于有金屬外殼的小型設(shè)備，印制板的地線或接地面應(yīng)通過固定螺絲多點(diǎn)接外殼，且在靠近接插件的部位適當(dāng)增加固定螺絲。其他與接插件相連的部件的接地端也應(yīng)就近接外殼。2023/2/3第26頁P(yáng)CB的布局設(shè)計(jì)布局設(shè)計(jì)是PCB接地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一，布局時應(yīng)考慮電路的功能模劃分，關(guān)鍵信號的走向，布通率等因素。2023/2/3第27頁混合電路的分區(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。見圖（b），圖中的“GNDREF”選擇在單板的緊靠插座的位置。布局時應(yīng)該將數(shù)字電路和模擬電路分開，各部分內(nèi)器件排列盡量緊湊，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)。以減少高速電路對其它部分的干擾。左圖為處理器電路的分區(qū)。PCB的布局設(shè)計(jì)（續(xù)）高頻高速電路和敏感電路的布局2023/2/3第28頁高頻高速電路和敏感電路內(nèi)部的布局盡量緊湊，最小化敏感信號回路。高頻高速電路和敏感電路之間的布局盡量隔離，以減少高頻高速電路對敏感電路的干擾。晶振與時鐘分發(fā)、倍頻器、驅(qū)動、串阻應(yīng)盡量集中在一起，并遠(yuǎn)離高速CPU、高速信號、I/O電路、無關(guān)的敏感電路、PCB邊緣。保護(hù)器件的布局在印制版上，雷擊浪涌保護(hù)器件應(yīng)盡可能靠近插座或印制板的邊緣，保護(hù)地應(yīng)盡可能粗、短且均勻，保護(hù)地除了與保護(hù)器件相連以外不能與其它元器件和其它地線相連，保護(hù)地與其它焊盤、走線應(yīng)隔離足夠距離。PCB的布局設(shè)計(jì)（續(xù)）端接器件的放置2023/2/3第29頁連接器的安排由于連接器的信號出入PCB時，容易出現(xiàn)共模干擾問題，在安排連接器位置時，應(yīng)該避免I/O信號貫穿PCB的長邊方向流動。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?？拷麵/O連接器，以免I/O信號再次被干擾。大電流器件應(yīng)靠近電源，遠(yuǎn)離I/O連接器，減小回流距離和對其它信號線的耦合。PCB的布局設(shè)計(jì)（續(xù)）去耦電容的放置2023/2/3第30頁與后背板相連的插座上地線插針的設(shè)計(jì)器件的布局應(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能力和最小化的電感。2023/2/3第31頁（2）高速信號線不要在分割區(qū)上跨越，不要在無關(guān)的參考平面上方穿行。（3）3W原則PCB的布線設(shè)計(jì)（續(xù)）2023/2/3第32頁（4）保護(hù)線（GuardTrace）在模擬電路和射頻電路設(shè)計(jì)，以及沒有電源地平面的雙面板中，常常用保護(hù)線來對關(guān)鍵信號進(jìn)行保護(hù)，使其免受其它信號的串?dāng)_。如圖31，一般保護(hù)線連接地網(wǎng)絡(luò)，并在線的兩端與地相接。頻率很高時，保護(hù)線上用多個過孔接地，過孔之間的距離應(yīng)小于板上最高頻率所對應(yīng)波長（λ）的1/20。對于有完整地平面的數(shù)字電路，一般可以不用保護(hù)線，若有空間足以插入保護(hù)線（即信號線間距大于3倍線寬），則地平面已經(jīng)能夠有足夠的保護(hù)作用。（5）所有高頻信號或敏感信號必須緊靠完整的參考平面所有高頻信號或敏感信號必須緊靠完整的參考平面，以保證其最小化的信號回路和連續(xù)的阻抗。以減小信號的反射和輻射，提高信號的穩(wěn)定性。（6）高頻信號或敏感信號應(yīng)避免太多的過孔RAMBUS有無過孔的區(qū)別PCB的布線設(shè)計(jì)（續(xù)）2023/2/3第33頁（7）I/O信號避開高速和高di/dt信號等干擾源。連接器上應(yīng)該安排足夠的接地管腳。（