PCB设计中地环路的影响

1、单面 PCB 板中的地环路干扰

分析图中的地线(浅蓝色部分),可见地线构成了地环路。得到几点分析结果:

一、蓝色地线的所有线段都有阻抗;二、数字模块 1 的地回流分布支路有 2 条,分别是 CDA和 CBA;三、数字模块 2 的地回流分布支路也有 2 条,分别是 BA 和 BCDA。以 A 为 0 电位参考点时,那么 A 为理想的地。假设模块 1 经过 AB 段,产生V1 的交流噪声;那么这个噪声会直接影响数字模块 2 的地。 即 B 点相对于 A 点有如图中“地噪声”所示的电压起伏——这会导致模块 2 付出沉重的代价。

单面 PCB 板中的地环路干扰


1.1、双面 PCB 板中的地环路干扰

假设上图是双面板而且第二层是一整片接地的铜箔, 那么将不存在上图中AB 线段的地噪声。

2、地环路的电磁辐射

其实地环路的存在,除了共阻干扰的问题,还有另外更加隐晦的的问题:那就是电磁辐射。 而电磁辐射,往往会影响它附近的所有电子产品,特别是信号敏感设备。(信号敏感设备:指的是对电磁干扰非常敏感,电磁干扰可能会影响其“性能”甚至“基本功能”的电子设备。)

2.1、单面 PCB 板中的电磁辐射

2.1.1、 地线环路辐射

由“噪声的起源”的电流产生磁场的基本模型(如下面左图) 可知, 下面右图的地电流将产生磁场。而地线和信号线、负载构成一个完整的回路,那么这就构成了单面板上的电流环。这个电流环将随着信号的传输,在不断地辐射电磁波。

 地线环路辐射


2.1.2、信号线的辐射

实际上,远没有那么简单。信号线如电流环一样同样会产生辐射。看上面右图的信号线,由 1.1 小节分析可知, AB 段地线的噪声将叠加在 20 根信号线上,所以最终变成:地噪声通过 20 根信号线辐射——相当于地噪声多了 20 根发射天线!

2.1.3、 单面板辐射对实际应用影响有多大?

上面的结果分析到: 对于一个单面板系统,既存在地线共阻干扰、又存在地环路辐射。那么, 究竟一般的单面板系统还能不能正常工作?

幸运的是:对于 IO 翻转频率 10MHz 以下的数字系统,在一般的应用上,只要保护好晶振、复位电路,一般的数字信号线在比较“随意”的走线情况下也可以正常工作!

2.2、双面 PCB 板中的电磁辐射

2.2.1、板边缘处的辐射信号

顶层信号线电场线如下图所示。 由工程经验中的 20H 理论可推理认为:只要底层 PCB 的“地平面边缘”与“信号线在底层的投影” 最小距离大于 “PCB板厚的 20 倍”,即可认为信号线的电场能量基本被地平面吸收。

顶层信号线电场线


那么问题来了:即使在有地平面的情况下,假设一根具有强辐射能力的信号线放在 PCB 板边缘。那么,由于不满足 20H 法则,信号线的能量还是可以容易地向外辐射。所以,在很多教你怎么进行 PCB 布线的书籍上对你说:不要把干扰能力强(辐射能力强)的电路模块放在 PCB 板边缘——就是因为这个 20H 法则的原因。

2.2.2、双面板总体的电磁辐射——与单面板对相比

(1)双面板中,假设另一层作为一整块连地的铜箔。由“1.1 小节”可知,由于这种情况基本不存在地环路共阻干扰,所以信号线上的“地噪声”就不会存在, 20 根信号线上的“地噪声辐射”就无从说起。

(2)由于有一整块铺地的铜箔,即使另一层有地线、信号线辐射, 辐射的大部分能量都会被这块地平面吸收(屏蔽)。 所以可以认为: PCB 板上基本上不存在什么辐射。

3、 有地环路的系统易受干扰

3.1、单面板的地环路

在如下图的单面 PCB 板中,假设外来的磁场 B 作用在整块电路板上。地环路面积越大,感应出的感生电动势越大。那么,电路越容易受到外来的干扰。在电磁场 越“不太平”的地方,你的系统“挂菜”的概率越大。所以, 为了你的 PCB 更加“强壮”, 在单面板布线过程中,一般采用加粗、铺地(敷铜)的方式。让所有没有走线的空缺的地方,都用铜皮“盖住” ——那么,不仅因加大地线铜皮而减小了地线的阻抗、感抗,而且大大减弱了本节讨论的重点问题——“电路易受电磁干扰”的问题。——对于单面板铺地的作用,很多 PCB 的书籍也只是简单的提到了“减小地线阻抗”而已,对于减小地环路面积而减小环路辐射、减小外来的电磁干扰影响这两点却是少提!

单面板的地环路


3.2、双面板的地环路

对于双面板 PCB,假设底层一整层铜是连接地的铜箔,那么其屏蔽效果也是非常好的。除了上面“2.2 小节”中提到的可以减小电磁辐射外,还可以让整个电路免于外来的电磁干扰。那么, PCB 板上哪些位置的屏蔽效果是良好的?哪些位置的屏蔽效果不好?

如图 3.2-1,假设易受干扰的元件分布放在 A 和 B 位置,它在顶层的 PCB 布线都是一个闭合的环路, Bottom 层是它的参考地平面,是一整块接地的铜箔。

双面板的地环路


那么,由于 PCB 具有厚度, Top 与 Bottom 的铜箔间存在非金属空隙。如下图 3.2-1 的三个红色箭头所示,外界的电磁干扰信号将通过 Top 与 Bottom 铜箔的间隙进入 B 位置的敏感电路区,对敏感电路造成干扰。但是,位于板中心 A 位置的敏感电路模块却因为有地平面的保护,而干扰信号又“无隙可乘”,干扰信号将会被反射或被地参考面吸收,不会受到外界干扰。(为何地平面会吸收辐射?从物理的角度看,铜箔是良导体,在电场中会成为“等势面”)

屏蔽效果与元件摆放在 PCB 板上的位置有关。所以, 一些讲解 PCB 布线的书提到“敏感元件不要放在 PCB 板边缘”自有其道理,只是他们都没有跟我们讲明前提——这个敏感元件是布线于双面的 PCB铜箔上的,而且其中一面是有一整块铜箔作为屏蔽地平面。

文章来源:今日头条

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