硬件工程师必读-如何设计地

硬件工程师必读-如何设计地

1.地的接法

对于一个信号来说,它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径,所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。第一,根据公式可以知道,辐射强度是和回路面积成正比的,就是说回流需要走的路径越长,形成的环越大,它对外辐射的干扰也越大,所以,PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。第二,对于一个高速信号来说,提供有好的信号回流可以保证它的信号质量,这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层(或电源层)为参考来计算的,如果高速线附近有连续的地平面,这样这条线的阻抗就能保持连续,如果有段线附近没有了地参考,这样阻抗就会发生变化,不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以,布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层,或者高速线旁边并行走一两条地线,起到屏蔽和就近提供回流的功能。第三,为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割,这也是因为信号跨越了不同电源层后,它的回流途径就会很长了,容易受到干扰。当然,不是严格要求不能跨越电源分割,对于低速的信号是可以的,因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查,尽量不要跨越,可以通过调整电源部分的走线。

许多电磁干扰问题是由地线产生的,因为地线电位是整个电路工作的基准电位,如果地线设计不当,地线电位就不稳,就会导致电路故障。地线设计的目的是要保证地线电位尽量稳定,从而消除干扰现象。信号接地方式一般有三种:浮地、单点接地、多点接地。

1.1 浮地

目的:使电路或设备与公共地线可能引起环流的公共导线隔离起来,浮地还使不同电位的电路之间配合变得容易。 缺点:容易出现静电积累引起强烈的静电放电。 折衷方案:接入泄放电阻。

1.2 单点接地

单点接地:所有电路的地线接到公共地线的同一点,进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。在大功率和小功率电路混合的系统中,切忌使用,因为大功率电路中的地线电流会影响小功率电路的正常工作。另外,最敏感的电路要放在A点,这点电位是最稳定的。最大的好处就是没有地环路,相对简单,但是地线往往过长,导致地线阻抗过大。

工作频率低(<1MHz)的采用单点接地式

缺点:不适宜用于高频场合。

单点接地

根据使用情况还可以用串联单点、并联单点混合接地。在这种接地方式中,将电路按照特性分组,相互之间不易发生干扰的电路放在同一组,相互之间容易发生干扰的电路放在不同的组。每个组内采用串联单点接地,获得最简单的地线结构,不同组的接地采用并联单点接地,避免相互之间干扰。 这个方法的关键:绝不要使功率相差很大的电路或噪声电平 相差很大的电路共用一段地线。

在低频率、小功率和相同电源层之间,单点接地是最为适宜的,通常应用于模拟电路之中;这里一般采用星型方式进行连接降低了可能存在的串联阻抗的影响,

1.3 多点接地

工作频率高(>30MHz)的采用多点接地式(即在该电路系统中,用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路)。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比,工作频率高时将增加共地阻抗,从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰,所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时,尽量找最接近的低阻值接地面接地。高频率的数字电路就需要并联接地了,在这里一般通过地孔的方式可较为简单的处理。

多点接地

PCB中的大面积敷铜接地,其实就是多点接地,所以单面PCB也可以实现多点接地 ,多层PCB大多为高速电路,地层的增加可以有效提高PCB的电磁兼容性,是提高信号抗干扰的基本手段,同样由于电源层和底层和不同信号层的相互隔离,减轻了PCB的布通率也增加了信号间的干扰。

1.4.混合接地

如果不选择使用整个平面的作为公共的地线,比如模块本身有两个地线的时候,就需要进行对地平面进行分割,这往往与电源平面有相互作用。地之间的连接方法如下:

  ① 地间电路板普通走线连接:使用这种方法可以保证两个地线之间可靠的低阻抗导通,但仅限于中低频信号电路地之间的接法。

  ② 地间大电阻连接:大电阻的特点是一旦电阻两端出现压差,就会产生很弱的导通电流,把地线上电荷泄放掉之后,最终实现两端的压差为零。

  ③ 地间电容连接:电容的特性是直流截止和交流导通,应用于浮地系统中。

  ④ 地间磁珠连接:磁珠等同于一个随频率变化的电阻,它表现的是电阻特性。应用于快速小电流波动的弱信号的地与地之间。

  ⑤ 地间电感连接:电感具有抑制电路状态变化的特性,可以削峰填谷,通常应用于两个有较大电流波动的地与地之间。

⑥ 地间小电阻连接:小电阻增加了一个阻尼,阻碍地电流快速变化的过冲;在电流变化时候,使冲击电流上升沿变缓。

2. 模拟地和数字地

模拟信号和数字信号都要回流到地,因为数字信号变化速度快,从而在数字地上引起的噪声就会很大,而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起,噪声就会影响到模拟信号。一般来说,模拟地和数字地要分开处理,然后通过细的走线连在一起,或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。

3. 星型接地

"星型"接地的理论基础是电路中总有一个点是所有电压的参考点,称为"星型接地"点。我们可以通过一个形象的比喻更好地加以理解—多条导线从一个共同接地点呈辐射状扩展,类似一颗星。星型点并不一定在外表上类似一颗星—它可能是接地层上的一个点—但星型接地系统上的一个关键特性是:所有电压都是相对于接地网上的某个特定点测量的,而不是相对于一个不确定的"地"

4.屏蔽层如何接地

屏蔽电缆的屏蔽层、信号包地都要接到单板的接口地上而不是信号地上,这是因为信号地上有各种的噪声,如果屏蔽层接到了信号地上,噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰,所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。

文章来源:EET-China

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