多層堆疊中 PCB 接地層的最佳實踐

當我第一次開始使用現(xiàn)代 CAD 工具進行 PCB 設計時，我對 PCB 接地有一個相當簡單的看法。 作為一名物理學家，我接受過根據(jù)參考電勢、鏡像電荷和電磁理論中的許多其他術語來思考事物的訓練。 一旦第一塊PCB的生產(chǎn)完成，并且在設計中發(fā)現(xiàn)異常噪聲和EMI，明確定義接地的重要性就會變得更加明顯。

在堆棧中使用 PCB 接地層是確保電源和信號完整性并保持低 EMI 的第一步。 然而，一些關于接地平面的錯誤表述似乎仍然存在，而且我看到經(jīng)驗豐富的設計人員在 PCB 布局中定義接地時會犯一些簡單的錯誤。 如果您有興趣防止過度輻射并確保布局中的信號完整性，請遵循以下簡單指南在下一塊板上實現(xiàn) PCB 接地層。

為什么要使用PCB接地板？

在概述如何在設計中使用接地和 PCB 接地之前，有一些重要的設計目標可以幫助您實現(xiàn)接地：

明確定義的阻抗：高速/高頻互連需要具有明確定義的阻抗，以便信號可以連接到具有特定系統(tǒng)阻抗（通常為 50 歐姆）的其他組件。

返回路徑：PCB接地層為互連上的電流提供了清晰的返回路徑，該電流以位移電流的形式在接地區(qū)域中傳播。 這使得環(huán)路電感更小并確保低EMI輻射，這是在多層PCB堆疊中使用接地平面或接地銅粉的主要原因。

EMI屏蔽與抑制：EMI是雙向的，設計中的接地銅可以屏蔽外部EMI源。

電源去耦和穩(wěn)定：這可能是在多層 PCB 中使用接地層的最不為人知的原因。 一對大電源層和接地層將充當大去耦電容器，有助于保持電路板上的電源穩(wěn)定。

在某些情況下，通過分段鑄造銅而不是分割平面鑄造銅可能難以滿足上面列出的設計目標。 這些布線問題以及維護明確的接地層可能會產(chǎn)生較大的環(huán)路電感，從而導致 EMI。

請注意，即使您的地平面是均勻的，如果系統(tǒng)的布局不緊湊，它仍然會形成很長的返回路徑。 不需要在整個板上形成鋸齒形走線，在這種情況下，擁有統(tǒng)一的地平面并不能解決EMI問題。

如何處理多個地面參考

很多時候，原理圖中會有兩個不同的接地網(wǎng)格，然后將它們復制到PCB上。 例如，這在電隔離電源轉換器（例如諧振 LLC 轉換器）和許多工業(yè)以太網(wǎng)設計中很常見，其中系統(tǒng)的高/低壓側或數(shù)字/模擬側有自己的接地區(qū)域。 然后通過 0 歐姆電阻或電容將接地區(qū)域相互連接在一起。

如果您的電路板需要多重接地，那么您的 PCB 布局和布線策略現(xiàn)在需要考慮真正的接地參考在哪里以及返回電流如何傳播到參考柵極。 這與上表中的第1點和第2點有關。 經(jīng)驗豐富的設計人員遵循過時的設計實踐仍然很常見，這會導致 EMI 問題：將接地層劃分為多個銅鑄區(qū)域。 當采用這種方法分隔 PCB 接地層時，很難定義清晰的返回路徑，從而導致環(huán)路電感過大、阻抗不正確以及輻射 EMI。

分裂的原因和不應該做的事情

考慮下面所示的示例布局。 在此示例中，我們有兩個接地區(qū)域，它們在頂層物理隔離。 第3層有縫合過孔，將GND區(qū)域綁定回同一個多邊形，第2層還有其他低速信號。

如果我們想要處理較慢的信號，那么在 EMI 方面可能會非常好，因為這種特殊布置中的寄生環(huán)路電感不是很大。 由于我們正在處理 USB，因此最好安全地使用 USB，并在這些區(qū)域下放置一個統(tǒng)一的接地層。 在銅鑄件中，該間隙下方缺少接地層將導致差分阻抗不連續(xù)，并導致通過電容器的返回路徑較長。 該返回路徑將具有更高的環(huán)路電感，從而導致更大的 EMI 和串擾。

就我個人而言，我不會擔心電容器，也不會完全隔離接地區(qū)域，除非此類系統(tǒng)中有一些隔離的原因（例如低壓區(qū)域和高壓區(qū)域、操作員安全問題、一些行業(yè)標準、 ETC。）。 除非需要電流隔離并且未設計高速返回路徑，否則僅應使用統(tǒng)一的接地層。 也可以將整個表層灌入地，然后綁回主PCB板地平面。 您將消除在接地層間隙中布線時出現(xiàn)的輻射 EMI 問題，并確保表層不同信號之間的高度隔離。

綜上所述，當需要提供清晰的返回路徑時，請使用PCB接地平面，并且不要在接地平面中放置間隙和間隙來創(chuàng)建具有不同元件塊的區(qū)域。 需要一些技術來確保 PCB 不同部分之間的返回路徑不會重疊并產(chǎn)生串擾

如果由于某種原因需要在不同的接地區(qū)域使用星形接地策略，則在任何情況下都不應開始在不同接地平面區(qū)域之間的非接地區(qū)域上路由數(shù)字信號。 這就是高輻射EMI和EMC測試失敗的秘密。

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