初探PCB印刷電路板中地線設(shè)計(jì)

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1 地線在PCB板設(shè)計(jì)中的重要地位

在現(xiàn)今的生活中，電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們生活中的一種必需品，并且在社會(huì)中的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)，對于電子產(chǎn)品的質(zhì)量，人們也提出了更高的要求。在實(shí)際的使用過程中，電子產(chǎn)品的工作狀態(tài)必須要穩(wěn)定，同時(shí)也要有較高的抗干擾性能，也要有較高的工作效率，并且噪聲以及電磁輻射都應(yīng)當(dāng)降低。想要使電磁干擾問題以及電磁兼容問題得到有效的解決，解決方式很多，其中最主要的就是地線設(shè)計(jì)方案。

通常來說，“地”在電路系統(tǒng)當(dāng)中，主要扮演的角色就是電路零電位的一個(gè)參考點(diǎn)，同時(shí)在整個(gè)電氣系統(tǒng)當(dāng)中，“地”也是參考電平。在PCB板的設(shè)計(jì)過程中，“地”并不是最理想的地，并且接地平面也并不是零電阻，接地電阻中不僅有一定的電阻存在，同時(shí)還有一定的阻抗存在。通過大量的實(shí)踐理論證明，在走線當(dāng)中，如果特性阻抗相對較小，那么就能對電磁干擾產(chǎn)生更加顯著的抑制效果。從相關(guān)的理論角度上對此進(jìn)行分析，可以看出，在PCB板上存在的每一條走線，都能夠通過三個(gè)參考數(shù)值來描述走線的特性阻抗Z。分別是：Z=R+jωL，其中l(wèi)代表的是PCB板上存在的導(dǎo)線的長度，b代表的是PCB板上導(dǎo)線的寬度，d代表的是PCB板上導(dǎo)線的厚度。由此也能夠看出，走線中所含有的特性阻抗Z的大小與R、L還有信號(hào)的頻率ω之間是成正比關(guān)系的，并且R與l以及ρ之間存在一定的聯(lián)系，如果在確定PCB板材的過程中，ρ以及d為常數(shù)，那么R則由l以及b進(jìn)行決定，也就是說，R以及l(fā)是正比關(guān)系，而R與b之間是反比關(guān)系。

當(dāng)處于低頻狀況下時(shí)，特征阻抗Z主要的代表就是R，只要在設(shè)計(jì)PCB板的走線的過程中，能夠使走線做到寬并且短，就能夠在最大程度上將特性阻抗進(jìn)行降低。

當(dāng)處于高頻狀況下時(shí)，jωL都是不容忽視的因素，頻率不斷升高的同時(shí)，特征阻抗Z也會(huì)不斷的增大，PCB的走向以及參考平面最終所形成的閉環(huán)面積會(huì)對產(chǎn)生的磁場能量造成一定的影響。通過利用通量最小化技術(shù)或者通量對消的方式，使將走線與參考平面之間的距離進(jìn)行縮小，從而使形成的電流回流路徑保持最佳狀態(tài)，也就是要確保能夠?qū)㈦姶鸥蓴_降到最低。

分布電容的大小與電磁干擾的抑制程度之間有著直接的影響，越大的分布電容，產(chǎn)生的電磁干擾抑制效果就越好。

除此之外，地線在流經(jīng)地線環(huán)路時(shí)形成了干擾。根據(jù)圖1中所展示的內(nèi)容可以看出，L、J、M、N、K這幾段所表現(xiàn)出的物理尺寸并不相同，因而，也就說明，他們形成的特征阻抗也存在一定的差異性。因此，在對其進(jìn)行觀察的過程中，就不能僅僅只是將其看做是一個(gè)等電位連線，而是要將他們看作是具有一定的獨(dú)立性的電控元件。在流經(jīng)地線環(huán)路的過程中，各個(gè)單元的地線電流之間形成了一定的干擾，并且，在各個(gè)階段的地線流過電流使都會(huì)產(chǎn)生一定的點(diǎn)位差異，除此之外，在地線環(huán)路當(dāng)中，還存在著一定的磁場干擾，而這些干擾都能夠進(jìn)行總結(jié)整合，這些干擾最終都被總結(jié)為了：地線環(huán)路干擾、公共組抗干擾以及地環(huán)路電磁耦合干擾。

圖1 地線環(huán)路干擾

總的來說，在PCB的設(shè)計(jì)過程中，地線設(shè)計(jì)有著十分重要的作用。在地線設(shè)計(jì)當(dāng)中，認(rèn)為地線的特征阻抗越小越好，也就是說要將R與L進(jìn)行降低，并將C值增大。如果想要有效的避免出現(xiàn)地線環(huán)路干擾，就必須要在設(shè)計(jì)過程中選擇合適的接地方式。這就需要在PCB板的設(shè)計(jì)過程，盡可能的將走線與參考地面之間的距離進(jìn)行有效的縮短，并且要將地線線路盡可能的設(shè)計(jì)的短并且寬，從而在最大程度上避免形成地線環(huán)路。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行多層板的設(shè)計(jì)過程中，一定要對參考平面的位置進(jìn)行合理的安排，并盡可能的將過孔數(shù)量減少[1]。

2 各種不同的層面PCB板當(dāng)中的地線布置

2.1 單面PCB板的地線布置

在單面PCB板的地線布置過程中，首先就需要從電源設(shè)計(jì)以及接地線設(shè)計(jì)方面開始進(jìn)行布置。單面板的地線布置在實(shí)際的布設(shè)過程中有一定的限制，例如：對于外界射頻會(huì)產(chǎn)生十分敏感的反應(yīng)、以及高頻電路在實(shí)現(xiàn)過程中必備的條件受到限制、沒有通量對消的條件以及RF的回流路徑等因素。因此，在對電源以及接地線進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，首先就會(huì)采用徑向路由的方法將電源以及接地線根據(jù)樹枝的形狀進(jìn)行布置。與此同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)滿足以下三種設(shè)計(jì)要求：第一，設(shè)計(jì)地線時(shí)，必須要采用徑向路由的方式，配送所有的單面PCB板當(dāng)中的接地線以及電源，確保全線最短；第二，在布線時(shí)，要將電源以及接地線緊鄰設(shè)置；第三，避免將樹枝形路由當(dāng)中的不同分支連接在一起，避免出現(xiàn)回路電流的現(xiàn)象[2]。

2.2 雙層PCB板的地線布置

在雙層PCB板的設(shè)計(jì)過程中，針對數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，在選擇布線方式時(shí)，可以優(yōu)先選用點(diǎn)陣布線或者柵格布線。這種布線方式能夠使接地阻抗在最大程度上被減少。在進(jìn)行雙層PCB板的地線布置過程中，主要可以采用兩種布線方案，一種是將雙層PCB板當(dāng)做單層PCB板進(jìn)行處理，采用單層設(shè)計(jì)規(guī)格對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。不論是在哪一種情況下，都必須要確保接地環(huán)路控制。在設(shè)計(jì)過程中要確保為電源留出了充足的空間，對于剩余的部分應(yīng)當(dāng)將其當(dāng)做參考地進(jìn)行填充。另一種方案就是要將接地層與電源線和信號(hào)分開放置，這種布線方式在實(shí)際的應(yīng)用過程中，能夠使接地回路以及接地阻抗都能夠得到有效的減少，但是，在這種方案中，參考平面與信號(hào)線條之間產(chǎn)生的距離已經(jīng)與8倍的印制線條寬度相同了，這就導(dǎo)致無法使通量對消進(jìn)行良好的開展。但是可以在于IC供電線以及接地層之間組接近的位置處放置去耦電容[3]。

2.3 多層PCB板中的地線布置

在多層PCB板當(dāng)中，需要鄰層放置電源層以及底線層，而這樣放置的主要目的就是為了能夠確保在PCB板中形成的電容最大。放置高速信號(hào)線條時(shí)，必須要盡可能的將其放置在與接地面足夠靠近的位置處，其他的信號(hào)條在設(shè)置的過程中要盡量與電源面靠近。在布置地線的過程中只要地線的布置合理，就能夠在最大程度上將接地阻抗減小，從而使電磁干擾有效的減少。

3 PCB板當(dāng)中的地線總體布局

根據(jù)下方圖2中所展示的內(nèi)容可以看出，如果PCB板當(dāng)中同時(shí)含有模擬電路以及數(shù)字電路，那么在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要盡可能的分開布設(shè)數(shù)字地以及模擬地，同時(shí)要使其能夠分別與地線進(jìn)行連接。在連接數(shù)字地線與電源端地線時(shí)，以及模擬地線與電源端地線進(jìn)行連接的過程中，可以利用高頻磁珠，達(dá)到隔離的目的，而采用這種做法的主要目的就是為了確保他們之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。要確保模擬部分的接地面積足夠大，同時(shí)也要將數(shù)字部分設(shè)計(jì)成為閉環(huán)路，這種設(shè)計(jì)形式在一定程度上能夠有效的提升其抗噪聲能力。

這種布局方式雖然可行度更高，但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中，存在著一個(gè)無法忽視的問題，就是布線時(shí)不能進(jìn)行跨越分割間隙，如果跨越了分割間隙，那么，很容易導(dǎo)致出現(xiàn)信號(hào)串?dāng)_，或者導(dǎo)致電磁輻射的程度大幅度上漲。在實(shí)際的布線過程中，如果必須要將底線層進(jìn)行劃分，同時(shí)在布線時(shí)，還必須要通過分割層中的間隙，那么，可以在各個(gè)分割地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接，在兩個(gè)分割地之間形成連接橋，最后再利用連接橋進(jìn)行布線，通過利用這種布局方式，能夠有效的在各個(gè)信號(hào)線的下方形成電流回流路徑，最終使環(huán)路面積減小。想要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的跨越分割間隙，通過利用隔離器件以及變壓器也能夠達(dá)到目的。

圖2 數(shù)字地與模擬地分開及單點(diǎn)接地

4 結(jié)束語

從上個(gè)世紀(jì)中葉到現(xiàn)階段的發(fā)展過程中，電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，電子產(chǎn)品的發(fā)展也正在向著規(guī)模化、小型化以及程序化的方向發(fā)展。在對PCB板進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，必須要對電磁干擾問題以及電磁兼容問題進(jìn)行全面的考慮，并對其進(jìn)行有效的解決。