PCB板地线与接地技术PCB,自问世以来一直处于发展之中,尤其是20世纪80年代家电发展、90年代信息产业的崛起,大大推进了PCB设计技术、制造工艺与PCB工业的发展。

地线与接地是PCB板设计中的一个重要方面,其实现方式与PCB板上的功能电路、器件、高密化、高速化有关。

高速化还必须考虑高频谐波(常取10倍频),时钟信号上升边沿速率。

地线与接地设计在PCB 三个发展阶段中,在解决EMC方面积累了丰富经验的重要措施之一。

之一。

通孔插装技术(THT) 用PCB阶段,或用于以DIP器件为代表的PCB阶段。

40到80年代。

主要特点：镀(导)通孔起到电气互连和支撑器件引腿的双重作用。

提高密度主要靠减少线宽/间距。

之二。

表面安装技术(SMT)用PCB阶段,或用于QFP和走向BGA器件为代表的PCB阶段。

90年代到90年代中后期,PCB专业企业相继完成THT用PCB走向SMT用PCB的技术改造。

主要特点：镀(导)通孔只起到电气互连作用。

提高密度主要靠减少镀(导)通孔直径尺寸和采用埋盲孔结构。

之三。

芯片级封装(CSP)用PCB阶段,或用于SCM/BGA与MCM/BGA 为代表的MCM-L及其母板PCB阶段。

主要的典型产品是新一代的积层式多层板(BUM)。

主要特点：从线宽/间距(＜0.1mm)、孔径(Φ＜0.1mm)到介质厚度(＜0.1mm)等全方位地进一步减少尺寸,使PCB达到更高的互连密度,以满足CSP的要求。

BUM于90年代出现,目前已步入生产阶段。

几个有关术语：接地通用术语,量身定制。

词前必须加修饰语。

示例(英国术语),是在建筑的接入线中,安全接地线对地的连接。

接地方法 所选择的一种满足特定要求的引导电流的最佳方法。

接地环路 包括一个作为接地电位元件(面、引线、导线)的电路,返回电流可以通过这个元件(面、引线、导线)返回。

一个电路中至少有一个接地环路。

地环路包括一些导电元件(如平板、走线及导线) 的电路,假定其具有地电位,有回流穿过。

一个电路至少有一个地环路。

尽管所设计的地环路是可以接受的,但不希望有的信号在环路中引起电流,可能导致系统不正常工作。

接地引线的设置从PCB到金属结构做固体接地连接,以便提供系统级的接地参考,无论系统使用的哪种接地方法都需要它。

单点接地 许多电路的参考点都汇总于一个单独的位置,以允许不同点间通信的方式,所有信号因此将参考同一位置的电位。

注意：在PCB上,两点间距离应保持λ/20以内。

例如,设噪声频率为1GHz, λ=30cm,λ/20为1.5cm。

距离应保持≤1.5cm。

如果考虑PCB材质ε= 2.3, λ/20距离为(λ/20)/ε=1.5/1.5=1cm多点接地使不同电路具有同一公共的等位体或参考的一种方法。

可以在所要求的许多位置通过任何可能的方式进行连接。

参考在两个电路之间进行电气连接,以使两个电路的0V参考电压相等。

RF接地用一种专门方法提供一个接地参考点,以使产品符合辐射及敏感度的要求。

安全接地 提供到大地接地点的回路,该回路通过合适的连接和敷设的从源到负载的连续的、低阻抗的呈弱电容的导体路径可防止触电危险。

屏蔽地为互连的电缆及主要机架提供0V参考或电磁屏蔽。

a.接地抗干扰设计地、接地、地线规划、接地原则,对于系统级、PCB板级而言,基本上是一样的,不同的,仅仅是在物理实现上、具体处理上会不一样。

接地分类如下图所示。

正确接地可防止线路各部分的串扰；尽量使各接地点处于零阻抗以防止接地线上的电压降。

以单片机系统为示例。

地线种类较多,本例的地很具代表性,可分为：基于设备工作需要接地系统地(PCB从功上有讲也可看作一个系统)—-信号回路的电位基准点(一般指直流电源0V电位),有时简称系统地、工作地、或电源地。

工作地---信号回路的电位基准点(直流电源的负极或0V点),可分为数字地、模拟地。

数字地,亦称逻辑地--数字系统中数字电路的0V或零电位,连接数字元器件接地引出端形成的地线。

模拟地---放大器,采样/保持器,以及A/D转换器输入信号的零电位, 连接模拟元器件接地引出端形成的地线。

信号地---传感器,接口输入的地。

功率地---大电流网络部件的0V电位, 连接功率元器件接地引出端形成的地线。

交流地---交流50Hz电源的地线。

直流地---作为直流电源的地线。

基于设备安全需要接地安全地---为保证人身和设备而接的地线,为设备或电路故障电流进入大地提供一个低阻抗通道,防止意外触电。

保护地---连接雷击过压保护元器件接地端形成的地线,是为瞬间过压提供泄放通道。

设备防雷地---为泄放因雷击而感应到设备上的过压的接地。

交流保护地---为交流设备提供安全保护的地线。

机壳地---连接设备金属外壳的地,确保机壳上无电压。

基于EMC需要接地屏蔽接地---为防止电路间寄生电容产生相互干扰,防止静电感应、外界电场敏感,提供对这些进行隔离和屏蔽的金属的地线。

滤波接地---提供滤波器中旁路电容的接地。

注意,如果滤波器不接地,这些电容器就处于悬浮状态,起不到虑波的作用。

噪声和干扰抑制接地---对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上多点与地相连,为干扰信号提供最低阻抗通道。

静电接地---非导电用的导体部件接地,泄放静电。

一点接地、多点接地原则当元件、电路、互连等都工作在≤1MHz时,选用单点接地方法(其中有两种方式：串联和并联接地。

注意,并联好于串联)最好。

必须记住,如果定用了单点接地,就必须在应用中保持一致性；如果没有其它条件支持,单、双点接地绝不可混用。

注意,随着频率升高,返回路径的电感会变得不可忽视。

频率越高,电源层和互连走线的阻抗越显著,若走线长度是信号λ/4的奇数倍时,这些阻抗会变得非常大。

那么,在返回路径中，只要存在有限阻抗,就会产生电压降,随之出现不希望的射频电流。

当射频阻抗变得显著时,这些走线和接地导体就产生环形天线效应(不论形状如何,都是天线)。

正是这种因果关系,当频率大于1MHz 时,一般不选用单点接地方法。

当然,有时也存在例外,不过得具体分析处理。

这里,对于1MHz到10MHz接地设计的一条经验法则：只有当最长的走线或每一根接地引线线长小于信号λ/20时仍可用单点接地方法。

当元件、电路、互连等都工作在≥10MHz,选用多点接地方法。

这种方法可以减少噪声产生电路与0V参考点之间的电感,但是两个接地引线间的物理距离不得超过那个被接地电路中最高频率信号波长的1/20。

数字地和模拟地的连接原则数字地主要指TTL和CMOS芯片、I/O接口芯片、CPU芯片等数字逻辑电路的地端,以及A/D、D/A转换器的数字地。

模拟地主要是指放大器、采样/保持器和A/D、D/A中模拟信号接地端。

在系统、PCB接地设计中,数字地和模拟地应分别接地。

注意：即使一个芯片上的两种地(如A/D、D/A和S/H)也要分别进行接地,尔后仅在一点把两种地连接起來,否则数字回路通过模拟电路的地线返回到数字电源,就会对模拟信号产生影响。

PCB板地线分布原则为防止内部地线干扰,必须遵循以下原则：TTL、CMOS器件的地线应呈辐射网状,避免环形；地线宽度视通过电流而定最好不小于3mm；旁路电容的地线不宜过长；功率地宜宽为好,而且与小信号地线分开。

5/5规则是关于什么时候选用多层板的规则。

基于EMC,当時钟频率超过5MHz,或上升沿時间小于5ns時,需要选用多层板。

在地线设计,遇到高频时, 即使使用常规接地方法或先进的地线系统也难以抑制EMC问题,5/5规则被作为选用多层板的依据。

b.接地连接线间距离---纵横比原则基于EMC,在PCB板中处理多点接地时,对各接地点间距离有一个限定原则：点距小于相关信号最高频率波长的1/20(其中包括连接金属底座的固定螺钉)c.镜像层---多层板中的一条低阻路径镜像层是PCB板中邻近电流或信号层的一层铜板或铜膜(电压层、接地层或者底层)。

镜像层用来提供一条低阻路径,使RF信号回流到接地,以此可消除RF信号噪声。

镜像层也称镜像面是用于加强接地效果的一种设计方法。

镜像层是德国人提出并普及的,并被收入标准作为术语。

d.重视并避免接地环路的产生接地环路是产生射频噪声的一个重要原因。

当多点接地时,接地点间距离较大,比如超过信号波长1/20,或者主参考地连接到交流地或机壳上时,射频噪声容易产生。

当接地环路出现时,很有必要采取隔离措施抑制射频能量从一个电路耦合到另一个电路。

如何避免地环路,在PCB板地设计中可采用：· 减少接地点(或改成单点接地)· 用隔离器件,如光耦器件等。

注意光耦器件适用于数字电路,用于模拟电路会出现非线性。

输入回路和输出回路有很高的耐压值, 达500～1000V甚至更高。

e.重视地弹现象的影响CMOS器件等效电路模型中,有封装的地引脚电感L1,电源引脚电感L2,输出引脚电感L3 ,当该器件在驱动一个标准负载(含电容C L,电阻R L)时,输出从高电平变为低电平的相应時刻,地引脚电感L1上将产生一个电压,这个感应电压便产生地弹。

同理, 输出从低电平变为高电平的相应時刻, 地引脚电感L1上也将产生一个电压,这个感应电压也会产生地弹,不过数值上低于前者。

地弹会使输入门槛值波动,输出的影响电压也会变化。

一旦地弹值过大,超过元器件噪声门限值,就会产生错误信息,将引起误操作触发。

地弹是逻辑元件产生的一种噪声源,随着信号变化速率和开关速度越来越快, 地弹的影响会日渐严重,设计上须倍加关注。

e.巧用地保护走线(称保护地)降低RF能量削弱其影响地保护走线是在关键信号(如高速时钟信号、周期信号或边沿变化速度很快的其他信号走线) 的上下或两边,使用地参考走线,把关键信号围在中间, 于是关键信号的RF能量被限制在有限区域,保护地线尽可能吸收这部分能量。

注意, 高速时钟信号、周期信号或边沿变化速度很快的信号,走线要宽而短以降低阻抗。

f.合理处理地层分割能保留完整的地平面,最好。

因为地层分割会对信号传输质量帯来影响。

有时也会酌情地把PCB分区成模拟和数字两个部分,有时为了合理利用PCB,一半数字,一半模拟,同理,电源也是如此。

但是要注意,不允许信号线跨越分割地或电源,否则由此产生EMI问题。

建议：地层合理分区,最好不分割。

g. PCB板EMC设计分析用等效元件因分布参数的引入,有：基本元件 等效元件导线 电感与电阻串联电阻 电感与并联阻、容相串联 电容 电感、电阻、电容相串联 电感 电感、电容相并联。