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              PCB接地設計
              添加時間:2016/5/17 15:40:55

              PCB接地設計




              PCB的設計在電子產品的設計中可謂是必不可少的且重中之重的,PCB設計的好與壞將直接影響到產品功能的實現。設計一個PCB電路實現其功能并不難,難的是其不受各種影響(如溫濕度變化,氣壓變化,機械沖擊、腐蝕影響等)而能持續保持正常穩定的工作,這樣我們就會采取各種設計手段或制造工藝措施來排除或減少這些影響以保證PCB的正常工作,比如選用更寬溫的元器件以適應高溫或低溫的使用環境;盡量使印制板兩面的電路圖形的面積相等來防止溫度變化帶來的印制板翹曲變形;合理安排大且重的元器件在印制板的位置并設計相應的安裝固定結構以防止振動造成元器件脫落等。

              PCB接地設計 

              首先最重要的就是接地,大家都知道接地設計是系統設計的基礎,良好的接地是一個系統安全、穩定工作的前提。廣義的接地包含兩方面的意思,即接實地和接虛地。接實地指的是與大地連接;接虛地指的是與電位基準點連接,當這個基準點與大地電氣絕緣,則稱為浮地連接。

              接地的目的有兩個:

              一是為了保證控制系統穩定可靠地運行,防止地環路引起的干擾,常稱為工作接地;

              二是為了避免操作人員因設備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險和保證設備的安全,這稱為保護接地。 

              如果不考慮安全接地,僅從電路參考點的角度考慮,接地可分為懸浮地、單點接地、多點接地混合接地。

              浮地的目的是將電路或設備與公共地或可能引起環流的公共導線隔離開。這種接地方式的缺點是設備不與大地直接相連,容易產生靜電積累,并最終發生具有強大放電電流的靜電擊穿現象。通常采取的辦法是在設備與大地之間接進一個阻值很大的電阻,以消除靜電積累。單點接地是指在一個電路中,只有一個物理點被定義為接地參考點。

              多點接地是指某個系統中,各個接地點都接到距離它最近的接地平面上,以使接地引線長度最短。它是高頻信號電路唯一實用的接地方式。一般來說,當頻率低于1MHz時,采用單點接地方式為好;當頻率高于10MHz時,采用多點接地方式為好;而在1~10MHz之間時,如果采用單點接地,其地線長度不得超過波長的1/20,否則應采用多點接地方式。一般情況下,在普通的工業控制系統中,信號頻率大多小于1MHz,所以通常也就采用單點接地方式。

              混合接地就是單點接地和多點接地的組合,適用的工作頻率范圍一般為500kHz~30MHz。 


              在計算機控制系統中,大致又分為以下幾種地線:模擬地、數字地、信號地、系統地、交流地保護地。

              模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A- D和D- A轉換器中模擬電路的零電位。

              模擬信號有精度要求,它的信號比較小,而且與生產現場連接。有時為區別遠距離傳感器的弱信號地與主機的模擬地關系,把傳感器的地又叫信號地。

              數字地作為計算機各種數字電路的零電位,應該與模擬地分開,避免模擬信號受數字脈沖的干擾。

              系統地是上述幾種地的最終回流點,直接與大地相連作為基準零電位。

              交流地是計算機交流供電的動力線地或稱零線,它的零電位很不穩定。在交流地上任意兩點之間往往就有幾伏乃至幾十伏的電位差存在。另外,交流地也容易帶來各種干擾。因此,交流地絕不允許與上述幾種地相連,而且交流電源變壓器的絕緣性能要好,絕對要避免漏電現象。

              保護地也叫安全地、機殼地或屏蔽地,目的是使設備機殼與大地等電位,以避免機殼帶電影響人身及設備安全。 

              了解了地線的分類和作用后,就需要將PCB中的地線進行區別分類,并采取相應的處理辦法來設計地線。如TTL、CMOS器件的地線要呈輻射狀,不能形成環形;印制電路板上的地線要根據通過的電流大小決定其寬度,不要小于3mm,在可能的情況下,地線越寬越好;旁路電容的地線不能長,應盡量縮短;大電流的零電位地線應盡量寬,而且必須和小信號的地分開。

              為便于合理地選擇接地導體及其連接方式我們按表1對接地進行了一些分類。 


                   表1 接地的分類 

               


              還有一個需要重視的問題是PCB設計中對于參考平面的處理,這會直接影響到PCB的質量。一般我們可按照如下方法進行一些處理: 


              1)電源平面緊靠地平面(僅限于高頻電路):當電路的工作頻率很高(如大于100MHz)時,電源平面應該緊靠地平面,這樣可以最大化電源平面與地平面的電容耦合,降低電源的噪聲。


              2)多個地平面用過孔相連:當PCB中有多個地平面層時,應該在板上用較多分散的過孔將地平面連接在一起,特別在信號集中換層的地方,以便為換層的信號提供較短回路和降低輻射。如圖1所示在平面的周用過孔將地平面連接在一起,可以有效地降低PCB對外的輻射。 

               

              圖1 過孔連接


              3)條件允許時,采用20H原則:由于電源層與地層之間的電場是變化的,在板的邊緣會向外輻射電磁干擾,稱為邊沿效應。解決的辦法是將電源層內縮,使得電場只在接地層的范圍內傳導。以一個H(電源和地之間的介質厚度)為單位,若內縮20H則可以將70%的電場限制在接地層邊沿內;內縮100H則可以將98%的電場限制在內。在實施20H原則時,應該優先滿足信號的回路最小,信號阻抗連續。即縮進電源平面時,若相鄰的信號層在電源平面邊緣有走線,可以在此范圍內不考慮20H原則,確保信號不跨越,而且電源平面的邊緣應該延伸出信號線位置。 


              4)加地平面作為信號隔離層:當信號層數較多需要加隔離層時,最好加地平面作為隔離層,不要加電源層作為隔離層。 


              5)控制好平面的延伸區域:在進行電源地平面設計時,應控制好平面的延伸區域,避免不同類型電路的參考平面交疊。此外,平行的帶電平面之間存在電容耦合,如圖2所示模擬電源平面Analog P和數字地平面Digital G之間會相互耦合 

              圖2 控制好平面的延伸區域






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