設(shè)計(jì)規(guī)范與指南PCB接地設(shè)計(jì)

1、2022-7-5第 1 頁接地設(shè)計(jì)規(guī)范與指南PCB 的接地設(shè)計(jì)眭詩菊 范大祥 編制2022-7-5第 2 頁P(yáng)CB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(duì)PCB板的接地設(shè)計(jì)要求。2022-7-5第 3 頁工作地工作地信號(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)字地連接數(shù)字元器件接地端，模擬地連接模擬元器件接地端。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

2、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)問題：共模干擾、信號(hào)串?dāng)_和幅射。2022-7-5第 4 頁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(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生壓降。流經(jīng)工作地中的電流主要來自兩個(gè)方面，一是信號(hào)的回流；另一個(gè)是電源的電流需要沿工作地返回。 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)工作地時(shí)產(chǎn)生的共模噪聲電壓。2022-7-5第 5 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(hào)電壓或電流隨時(shí)間快速變化時(shí),會(huì)對(duì)周圍的信號(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)_（

3、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。2022-7-5第 6 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(huì)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(hào)回路（小回路天線）也會(huì)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(shí)，會(huì)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(shí)，它也會(huì)對(duì)PCB上的電路產(chǎn)生共模干擾。2022-7-5第 7 頁P(yáng)CB接地設(shè)計(jì)原則共

4、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(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） PCB設(shè)計(jì)開始時(shí)，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(shí)鐘、總線緩沖器/驅(qū)動(dòng)器、高功率振蕩器。在PCB布局、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）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)注意隔離和保護(hù)。2022-7-5第 8 頁P(yáng)CB接地設(shè)計(jì)原則（續(xù)）b最小化地電感和信號(hào)回路信號(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

5、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。b地平面分割與不分割的合理應(yīng)用 對(duì)于混合電路，若數(shù)字地與模擬地分割，不會(huì)出現(xiàn)或能夠很好解 決信號(hào)跨越和信號(hào)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(shí)嚴(yán)格區(qū)分?jǐn)?shù)字與模擬 區(qū)域，避免數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)出現(xiàn)公共回流路徑。但地層并不 分割開。避免信號(hào)跨越而形成大的信號(hào)回路。2022-7-5第 9 頁P(yáng)CB接地設(shè)計(jì)原則（續(xù)）b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(hào)，特別是通過電纜連接的信號(hào)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。

6、接口部分的電源地盡量采 用平面。b電路合理分區(qū)，控制不同模塊之間的共模電流 對(duì)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。b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。2022-7-5第 10 頁雙面板接地設(shè)計(jì)梳形電源、地結(jié)構(gòu)* 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(hào)的回流都必須折回根部，回路面積大。但只要對(duì)較重要的信號(hào)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(gè)過孔將兩

7、層的地連接在一起，這個(gè)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(hào)的走向較單一，而且走線密度較低的情況。2022-7-5第 11 頁雙面板接地設(shè)計(jì)（續(xù)）柵格形地結(jié)構(gòu) * 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(hào)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(duì)較高速的信號(hào)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。2022-7-5第 12 頁多層板的接地設(shè)計(jì)有完整地平面的多層板之優(yōu)點(diǎn)(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，使所

8、有 信號(hào)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(hào)間的串?dāng)_。2022-7-5第 13 頁多層板的接地設(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路徑，即幾何最短路徑,如圖（a）。當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定頻率（F1KHz）時(shí),信號(hào)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(hào)的回流。信號(hào)頻率較高時(shí)的回流分布2022-7-5第 14 頁多層板的接地設(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)的返回電流總是沿緊靠的參考平面回

9、流。信號(hào)的返回電流總是沿緊靠的參考平面回流。2022-7-5第 15 頁多層板的接地設(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)該糾正所有信號(hào)只能從地回流、電源平面不重要的片面觀點(diǎn)。VCCGNDGND無損耗傳輸線等效電路2022-7-5第 16 頁多層板的接地設(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，認(rèn)為時(shí)鐘信號(hào)很重要，所以要把它走在地網(wǎng)絡(luò)平面上，如左圖。如此會(huì)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(shí)鐘信號(hào)線離地平面較遠(yuǎn)，中間還有信號(hào)層，造成時(shí)鐘

10、信號(hào)線本身的阻抗難以控制，造成信號(hào)完整性問題；（2）由于時(shí)鐘信號(hào)線走在地網(wǎng)絡(luò)平面上會(huì)造成平面被分割，使分割帶之上的信號(hào)回路必須繞分割帶，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。2022-7-5第 17 頁多層板的接地設(shè)計(jì)（續(xù)） 參考平面上隔離盤尺寸過大的影響 走線時(shí)，將信號(hào)過孔密集地整齊排列會(huì)在參考平面上產(chǎn)生開槽的效果信號(hào)層電源地平面2022-7-5第 18 頁多層板的接地設(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： 芯片的低功耗化和單板功能的復(fù)雜化，有時(shí)一個(gè)PCB板上會(huì)有三種以上的工作電源，安排每種電源一層是

11、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(gè)層面就被不同的電源網(wǎng)絡(luò)所分割。 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(gè)層面就被不同的地平面所分割。對(duì)于數(shù)?；旌想娐罚鶕?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。 分割 - 適用于數(shù)字電路與模擬電路之間沒有信號(hào)聯(lián)系布局時(shí)將數(shù)字電路和模擬電路分開，器件排列盡量緊湊，布線時(shí)避免數(shù)字電路的信號(hào)跨越模擬電路區(qū)域，避免模擬電路的信號(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(duì)模擬電路的干擾。2022-7

12、-5第 19 頁多層板的接地設(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(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)系的信號(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)布局，布線時(shí)避免數(shù)字電路內(nèi)部的信號(hào)跨越模擬電路區(qū)域，避免模擬電路內(nèi)部的信號(hào)跨越數(shù)字電路區(qū)域。地層并不分割，是一完整的層面，保證兩個(gè)電路之間聯(lián)系的信號(hào)有最小的信號(hào)回路。2022-7-5第 20 頁多層板的接地設(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，又能回到原來的參考平面上。線

13、橋走在信號(hào)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)跨越處增加一個(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形象地稱為Stiching Capacitor。橋接電容應(yīng)盡量靠近（小于200mil，小于80 mil時(shí)效果更佳）要保護(hù)的信號(hào)線，每個(gè)電容所保護(hù)的信號(hào)線不超過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)。2022-7-5第 21 頁多層板的接地設(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(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

14、，降低電源的噪聲。（2）多個(gè)地平面用過孔相連 當(dāng)PCB中有多個(gè)地平面層時(shí)，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(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孔將地平面連接在一起，可以有效的降低PCB對(duì)外的輻射。2022-7-5第 22 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(shí)，采用20H原則 （4）加地平面作為信號(hào)隔離層 當(dāng)信號(hào)層數(shù)多需要加隔離層時(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)行電源地平面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該控制好平面的延伸區(qū)域。避免不同類型電路的參考平面交疊，平行的帶電平面之間

15、存在電容耦合。見圖，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。見等效電路。 在實(shí)施20H原則時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先滿足信號(hào)的回路最小，信號(hào)阻抗連續(xù)。即，縮進(jìn)電源平面時(shí)，若相鄰的信號(hào)層在電源平面邊緣有走線，可以在此范圍內(nèi)不考慮20H原則，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。2022-7-5第 23 頁多層板的接地設(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(hào)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(hào)的特征阻抗要求 （2） 滿足信號(hào)回路最小化原則 （3） 滿足最小化PCB內(nèi)的信號(hào)干

16、擾要求 （4） 滿足對(duì)稱原則 2022-7-5第 24 頁多層板的接地設(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2022-7-5第 25 頁后背板的接地設(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。 2022-7-

17、5第 26 頁有金屬外殼器件/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)殼或底板緊密相連。 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。 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。 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)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。2022-7-5第 27 頁P(yáng)CB的布局設(shè)計(jì)布局設(shè)計(jì)是PCB接

18、地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一，布局時(shí)應(yīng)考慮電路的功能模劃分，關(guān)鍵信號(hào)的走向，布通率等因素。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“GND REF”選擇在單板的緊靠插座的位置。 布局時(shí)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(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。左圖為處理器電路的分區(qū)。2022-7-5第 28 頁P(yáng)CB的布局設(shè)計(jì)（續(xù)）高頻高速電路和敏感電路的布局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(hào)回路。高頻高速電路和敏感電路之間的布局

19、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)盡量集中在一起，并遠(yuǎn)離高速CPU、高速信號(hào)、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。2022-7-5第 29 頁P(yáng)CB的布局設(shè)計(jì)（續(xù)） 端接器件的放置 連接器的安排由于連接器的信號(hào)出入PCB時(shí)，容易出現(xiàn)共模干擾問題，在安排連接器位置時(shí)，應(yīng)該避免I/O信號(hào)貫穿PCB的長邊方向流動(dòng)。 I/O濾波器與變壓器的放置 大電流器

20、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(hào)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(duì)其它信號(hào)線的耦合。2022-7-5第 30 頁P(yáng)CB的布局設(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)器件的布局應(yīng)該符合公司的工藝要求2022-7-5第 31 頁P(yáng)CB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。（2）高速信號(hào)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2022-7-5第 32 頁P(yáng)CB的布線設(shè)計(jì)（續(xù)）（4）保護(hù)線 （Guard Trace）在模擬電路和射頻電路設(shè)計(jì)，以及沒有電源地

21、平面的雙面板中，常常用保護(hù)線來對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，使其免受其它信號(hào)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(shí)，保護(hù)線上用多個(gè)過孔接地，過孔之間的距離應(yīng)小于板上最高頻率所對(duì)應(yīng)波長（）的1/20。對(duì)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(hào)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(hào)或敏感信號(hào)必須緊靠完整的參考平面所有高頻信號(hào)或敏感信號(hào)必須緊靠完整的參考平面，以保證其最小化的信號(hào)回路和連續(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)避免太多的過孔R(shí)AMBUS 有無過孔的區(qū)別2022-7-5第 33 頁P(yáng)CB的布線設(shè)計(jì)（續(xù)）（7）I/O信號(hào)避開高速和高di/dt信號(hào)等干擾源。連接器上