大家好，我是百芯，可以叫我老百姓（老百芯）[笑哭]

之後我會在這裡和大家分享 DFM可制造性分析、PCB設計、DFM工具，電路設計等相關的知識，請大家多多指教。

今天主要給大家簡單介紹一下：PCB 接地技巧。

PCB 接地 是 PCB Layout 工程師一直都會關注的問題，例如：如何在闆上規劃有效地接地系統，是将模拟、數字、電源地等所有地單獨布線還是單點一起布線？如何消除電路闆上的接地環路？

今天主要是關于 PCB 接地設計、PCB接地技巧、PCB 接地處理。

雖然說這個問題看起來有點蠢，但不同類型的接地之間還是有區别的。電氣接地是一個導電體，它充當來自各種設備的電流的公共返回路徑，通常稱為 0 電位節點，系統中所有其他電壓都是相對于這個節點。

這裡介紹接地不同類型的節點：

1、浮地

當系統沒有可靠的接地連接時，就會發生浮地。因此，接地端子和導體中的電壓是不确定的，無意浮動接地被認為是系統故障（接地系統中的潛在斷路），但也有有意使用浮動接地的應用。

在低壓電源和測試儀器中，隔離變壓器用于将低壓接地與主接地系統隔離，以提高安全性。通過浮動低壓側的地，它避免了來自主電源的接地電流路徑。如果低壓側出現故障，這将提供電氣安全。

浮地

2、大地

這實際上是與地球的物理連接，充當耗盡剩餘電流的安全返回點。

3、機箱接地（安全接地）

機箱接地（安全接地）是從交流電源到産品外殼或底盤的安全線的連接，接地和機箱接地具有相同的功能，通常與術語安全接地互換使用。

在 PCB 接地方面，沒有一種萬能的方法。要确定将系統接地的最佳方式，你需要了解其中電流的流動方式。但是，有多種方法可供選擇，以及适用于大多數系統的最佳接地實踐的一些提示。

4、信号地

信号地是電路中使用的任何模拟或數字信号的參考，大多數時候信号地等于電源地。但在某些情況下，電路中的信号使用不同的隔離接地來返回信号電流，這導緻為信号定義單獨的接地，信号地可以在敏感設備和測量儀器中找到。

原理圖中用于接地的典型符号

在為模拟和數字部分劃分電路闆時，分離地通常連接在具有模拟和數字軌道連接的混合信号設備下方或附近。 當在混合信号設備下方的模拟地和數字地平面之間進行連接時，它能夠以最短的長度運行混合信号走線，并減少幹擾設備周邊其他模拟或數字信号的機會。

模拟地和信号地分開接地

5、虛地

虛地常見于運算放大器 (Op-Amp)。虛拟接地點（節點）不直接連接到接地（GND）電流返回路徑，而是保持與接地參考電位匹配。虛拟接地用于分析運算放大器的功能。

虛地

通過考慮虛拟接地電位，并假設運算放大器不吸收電流，得到以下關系。

虛地計算公式

6、交流接地

交流接地節點具有低阻抗直流值，即使受到小的幹擾，該直流電壓也是穩定的。由于它的直流值，這個節點不能作為一個合适的地，但是因為它是穩定的，它可以作為一個參考點。

交流接地是将電源引入需要電網電源并以中等高電流運行的電路闆的标準方法。在下圖中，我們将 3 線單相交流電引入系統，并使用變壓器将其降壓至電路闆上所需的電平。

PCB 疊層中初級接地 (PGND) 和次級接地 (SGND) 之間的分離意味着我們現在在電路闆上基本上有一個隔離電源以及我們的其他重要組件，這些組件可能是高速數字或精密模拟組件。

輸入功率級隔離接地

7、底盤接地

電子産品中需要注意的重要一點是，并非所有系統都有機箱接地（安全接地）。通常，底盤接地是指外殼中的金屬機箱，并與機箱建立連接。

在 3 線 AC 系統（火線、中性線和地線）或 3 線 DC 系統（DC 、DC 公共端和地線）中，機箱接地通常在電源進入電源的點處連接到大地。插入系統的一部分也可以連接到機箱接地以吸收噪聲或出于安全原因（例如，ESD 保護），如下面所示的示例。這種布置為 3 線連接上的交流或直流輸入提供了共模噪聲過濾。

下面原理圖中的機箱接地直接連接到電路闆，并帶有與外殼的低電感接地觸點。請注意，連接器上的引腳 3 是地線。

底盤接地

底盤接地連接提供了三個功能：

• 由于機箱現在設置為全局 0 V 參考電位，因此機箱現在充當法拉第籠并提供寬帶屏蔽。
• 它提供了一種安全功能，可以将寄生電流（ESD、短路或噪聲）消散回大地。
• 它可以在此輸入 EMI 濾波器上為共模噪聲提供低阻抗接收器，而無需在闆上放置鐵氧體或大扼流圈。

8、多地接地

多地接地通常在兩台設備之間布線時出現，并且電纜可能有一些屏蔽層連接到每一端的地線。

必須在這裡小心，因為兩個接地連接之間可能有直流電勢差，在實驗室測量時可能約為 10 V。如果接地橋接（例如沿屏蔽電纜使用屏蔽），接地偏移可能會導緻大的直流電流流過電纜。

多地接地

懸空的導體或者系統中參考不同電源的導體可能不具有相同的 0 V 電位。換句話說，兩個不同的設備有兩個接地參加，但連接到同一個參考，如果你測量它們之間的電位，測量得到是一個非 0電壓。

在電源系統中，要注意如何使用電容接地以确保接地參考保持一緻。Y級電容最合适，你需要消除平面之間的直流偏移，同時提供電流隔離和高頻EMI 濾波。

PCB接地電路

當兩個設備引用相同的導體作為接地連接時，可能會發生下面這種情況。如果你測量長導體上的電位差（例如：使用萬用表），它可能不為 0，這意味着沿着導體驅動了一些電流。這種沿着大地或兩個接地連接之間的電位差稱為 “接地偏移”。

1、地線

所有連接到地面的組件都通過公共迹線連接在一起，這在舊 PCB 和簡單 PCB 中很常見。

地線

2、公共接地平面

公共接地平面是PCB設計中最常見的做法。PCB 上未被走線或元件利用的自由空間被從地面覆蓋。公共接地平面顯着改善了 PCB 的熱特性，也有助于降低電磁幹擾 (EMI)。

公共接地平面

3、專用接地層

專用接地層用于多層 PCB，組件通過接地過孔連接到接地層。可以在具有 3 層及以上層的密集複雜 PCB 中找到。

專用接地層

4、電力系統接地

在電力系統安裝中，所有接地連接都連接到接地母線。該母線連接到接地導體，該接地導體連接到接地棒或接地網。

電力系統接地

接地母線将所有裝置的所有接地線彙集到一個公共點。該點的接地電阻應低于 5 歐姆，以提供更好的接地，使用高規格電線将接地母線連接到接地裝置。（接地棒和接地網）

5、等電位接地或者接地

等電位接地意味着保護區中的每個導電元件都應具有相同的接地電位，是通過電氣連接設備底盤、金屬管道和所有接地裝置來實現的。

等電位确保了該區域中的任何導電部件之間沒有明顯的電位差，并防止在故障期間觸電。

等電位接地或者接地

1、PCB 全部連接完整

PCB 布局上不應有任何未連接的東西。如果你的闆上有一個開放空間，得用銅和過孔填充它以連接接地層，這将為 PCB 的所有信号創建一個結構化的路徑，以有效地到達地面。

2、接地層

使用接地層是許多 PCB 設計人員最常用的技術。接地層通常由銅制成，覆蓋 PCB 上沒有組件或走線的所有區域。一些規則适用于接地層，具體取決于電路闆的層數。例如，如果電路闆有兩層，則規則規定應該将接地層放在底層，将走線和組件放在頂層。

接地層

放置接地層時，應确保它不會形成導電材料環。該環增加了接地層對電磁幹擾 (EMI) 的敏感性。當外部磁場與導電環接觸時，它會充當電感，産生稱為接地回路的電流。接地回路會幹擾産生電噪聲的其他電路。

當在整個底層的下方放置一個接地層并移除所有包含電氣元件的部件時，可能會形成一個導電環。應确保走線盡可能短，并在其下方放置接地層以防止出現振鈴。此外，可以通過調整走線和組件的布局來避免創建導電環。

每個組件都必須單獨連接到一個實心接地層以避免接地回路。

由連接到接地層的兩條迹線形成的接地回路

使用機箱接地時，你可以通過在連接到機箱的接地部分放置一個空隙來避免接地回路，如下所示。電容的使用提供了一個交流接地點。對于需要使用牆壁電源并需要直接返回地面的電氣設備來說，這是一種理想的情況。

消除接地回路天線

3、模拟和數字組件排列

元件應布置在靠近地的信号層上，以使返回路徑短且走線耦合到地。如果 PCB 包含模拟和數字組件，則必須非常小心地放置接地連接。電路闆的模拟部分和數字部分應該在物理上分開，但它們仍然需要連接到電源返回路徑。

混合信号接地連接

有些人可能會建議将數字地和模拟地完全分開，然後使用鐵氧體磁珠将它們連接起來，但這可能會産生比它所解決的更多的 EMI 和噪聲問題，尤其是當在非常高的頻率下工作時。

連接這些部分的一個好方法是将電源返回路徑放置在兩個平面之間，這樣任何一個部分的返回電流都不會進入另一個平面。重要的是要注意，不應在兩個接地層之間的間隙上布線任何走線，因為這會産生很長的電流返回路徑，極易受到 EMI 的影響。接地層之間的空間可用于放置 ADC 等混合信号組件。

4、接地層過孔

如果 PCB 的兩側都有接地層，它們将通過闆上許多不同位置的過孔連接。這些通孔是穿過電路闆并将兩側相互連接的孔，允許從任何可以插入通孔的地方訪問接地層。

使用過孔可以幫助你避免接地環路。它們将組件直接連接到接地點，接地點通過低阻抗連接到電路的所有其他接地點，同時還有助于縮短返回循環的長度。

接地層過孔

接地平面通常在流入它的電流頻率的特定波長處諧振。你應該在接地層周圍以精确的間隔放置過孔，以避免接地層諧振。帳篷通孔是 PCB 闆的一個重要方面，因為它們通過通孔将熱量吸收到闆的另一側，從而有助于冷卻熱運行的組件。

在 PCB 闆布局沒有過孔的情況下，可以使用小型鑽孔機鑽幾個孔，然後将銅穿過孔并焊接，從而實現兩側的連接。

5、去耦

去耦是在集成電路芯片旁邊實施LC 網絡提供瞬态開關電流的過程。為集成電路芯片安裝電源引腳将它們連接到外部電源。此外，還包含将它們連接到 PCB 接地層的接地引腳。

應該在電源引腳和組平面之間 放置去耦電容，以消除由芯片中提供的電壓産生的振蕩。

高頻去耦的正确和錯誤放置

去耦電容對于改善和增強 PCB 的功能至關重要。電容設計用于存儲電荷，因此 PCB 中的去耦電容充當電荷存儲設備。

因此，如果 IC 需要更多電荷，則去耦電容通過低電感路徑向 IC 提供電荷。除了增強 PCB 功能外，去耦電容還可以有效降低 多層平面上電源産生的噪聲。此外，去耦電容還降低了 EMI。

6、PCB 中的所有連接器都應接地

在連接器中，所有信号線必須并行運行。因此，你必須使用接地引腳分離連接器。

每塊電路闆可能需要多個連接器引腳連接到地。隻有一個引腳可能會導緻阻抗不匹配問題，從而導緻振蕩。如果兩個連接導體的阻抗不匹配，它們之間流動的電流可能會來回反彈，這些振蕩會改變系統的性能并導緻其無法按預期工作。

連接器的每個引腳的接觸電阻很低，但可能會随着時間的推移而上升。因此，最好使用多個接地引腳。PCB 連接器中大約 30% 到 40%的引腳應該是接地引腳。

連接器有不同的間距，并且可以有不同數量的引腳排，連接器的引腳也可以平行于 PCB 表面或與其成直角。

7、始終提供一個共同的接地點

無論是單層 PCB 還是多層 PCB ，都需要一個點來将所有接地點連接在一起。這可能是機箱上的金屬框架或 PCB 上的專用接地層，你通常會聽到将這個公共接地點稱為星形接地。

始終提供一個共同的接地點

8、盡量減少串聯過孔

确保盡量減少接地路徑上的串聯過孔，而是将組件接地直接發送到專用接地層。

添加到電路闆的通孔越多，必須處理的阻抗就越大，這對于可以将阻抗路徑變成電壓差的快速瞬态電流尤其重要。

9、布線前設計接地

在進行任何布線之前，請務必先正确設計的地面，這是整個路由過程的基礎。

10、确定 PCB 上電流的走向

許多設計人員隻考慮他們的信号傳輸到哪裡，但每個信号都有一條返回路徑通過地面。信号的發送和返回路徑将具有相同的電流，這會影響電源穩定性和接地反彈。

你可以使用基爾霍夫電流定律來了解電流将如何通過你的電路。

确定 PCB 上電流的走向

11、疊層中的接地層

在多層 PCB 中，堆棧中電源、信号和接地層的排列對信号完整性有重大影響，并将影響布線策略。

将接地層保持在信号層附近以最小化電流的返回路徑非常重要。在 4 層闆中，電源層和接地層通常位于内層，而信号走線和元件位于外兩層。

12、規劃接地平面之間的動态差異

在多層 PCB 的闆之間發送接地連接時，始終計劃動态變化。在處理需要長距離電纜的應用時尤其如此。

對于這些情況，你可以使用低壓差分信号、光隔離器和共模扼流圈來控制變化。

13、注意混合信号的布線區分

電路闆的模拟部分需要分開，這包括模數轉換器和數模轉換器。

在設計 PCB 的“平面圖”時，務必将這些區域隔離開來。ADC 的接地可以連接到一個公共接地點，數字信号可以通過該接地點傳遞到 PCB 的其他部分。

注意混合信号的平面規劃

14、避免接地回路

由兩個走線連接形成的接地回路

根據經驗，“接地回路”一詞可以指系統受到接地電位差異影響的任何情況。一個典型的例子是，當兩個模塊通過一根長電纜連接時，電纜中的返回電流導緻一個模塊的接地電壓明顯高于另一個模塊的接地電壓。不過，這裡專門指的是接地回路。例如：

接地回路

如果你必須使用單獨的 PCB 走線進行大量接地連接，則創建如上圖所示的環路其實很容易。

接地平面的存在并不意味着不可能創建接地回路，因為 CAD 程序不會阻止你在接地點之間繪制軌迹。但是，如果你始終使用過孔或通孔進行接地連接，那麼問題應該會在很大程度上消失：通過将過孔放到平面上，你可以直接從組件連接到接地點，該接地點通過低阻抗連接到所有其他接地電路中的點。

避免接地回路

在 PCB 布局中正确放置組件很重要。可以在組件正下方進行分割接地層的連接，以避免接地回路。

避免接地回路

在具有多個子系統的 PCB 布局中，可以仔細布置混合信号組件，以便在組件下方連接闆分區以避免接地環路。

以上就是關于 PCB接地技巧，希望大家多多支持。

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