多层堆叠中 PCB 接地层的最佳实践​

多层堆叠中 PCB 接地层的最佳实践

当我第一次开始使用现代 CAD 工具进行 PCB 设计时，我对 PCB 接地有一个相当简单的看法。 作为一名物理学家，我接受过根据参考电势、镜像电荷和电磁理论中的许多其他术语来思考事物的训练。 一旦第一块PCB的生产完成，并且在设计中发现异常噪声和EMI，明确定义接地的重要性就会变得更加明显。

在堆栈中使用 PCB 接地层是确保电源和信号完整性并保持低 EMI 的第一步。 然而，一些关于接地平面的错误表述似乎仍然存在，而且我看到经验丰富的设计人员在 PCB 布局中定义接地时会犯一些简单的错误。 如果您有兴趣防止过度辐射并确保布局中的信号完整性，请遵循以下简单指南在下一块板上实现 PCB 接地层。

为什么要使用PCB接地板？

在概述如何在设计中使用接地和 PCB 接地之前，有一些重要的设计目标可以帮助您实现接地：

明确定义的阻抗：高速/高频互连需要具有明确定义的阻抗，以便信号可以连接到具有特定系统阻抗（通常为 50 欧姆）的其他组件。

返回路径：PCB接地层为互连上的电流提供了清晰的返回路径，该电流以位移电流的形式在接地区域中传播。 这使得环路电感更小并确保低EMI辐射，这是在多层PCB堆叠中使用接地平面或接地铜粉的主要原因。

EMI屏蔽与抑制：EMI是双向的，设计中的接地铜可以屏蔽外部EMI源。

电源去耦和稳定：这可能是在多层 PCB 中使用接地层的最不为人知的原因。 一对大电源层和接地层将充当大去耦电容器，有助于保持电路板上的电源稳定。

在某些情况下，通过分段铸造铜而不是分割平面铸造铜可能难以满足上面列出的设计目标。 这些布线问题以及维护明确的接地层可能会产生较大的环路电感，从而导致 EMI。

请注意，即使您的地平面是均匀的，如果系统的布局不紧凑，它仍然会形成很长的返回路径。 不需要在整个板上形成锯齿形走线，在这种情况下，拥有统一的地平面并不能解决EMI问题。

如何处理多个地面参考

很多时候，原理图中会有两个不同的接地网格，然后将它们复制到PCB上。 例如，这在电隔离电源转换器（例如谐振 LLC 转换器）和许多工业以太网设计中很常见，其中系统的高/低压侧或数字/模拟侧有自己的接地区域。 然后通过 0 欧姆电阻或电容将接地区域相互连接在一起。

如果您的电路板需要多重接地，那么您的 PCB 布局和布线策略现在需要考虑真正的接地参考在哪里以及返回电流如何传播到参考栅极。 这与上表中的第1点和第2点有关。 经验丰富的设计人员遵循过时的设计实践仍然很常见，这会导致 EMI 问题：将接地层划分为多个铜铸区域。 当采用这种方法分隔 PCB 接地层时，很难定义清晰的返回路径，从而导致环路电感过大、阻抗不正确以及辐射 EMI。

分裂的原因和不应该做的事情

考虑下面所示的示例布局。 在此示例中，我们有两个接地区域，它们在顶层物理隔离。 第3层有缝合过孔，将GND区域绑定回同一个多边形，第2层还有其他低速信号。

如果我们想要处理较慢的信号，那么在 EMI 方面可能会非常好，因为这种特殊布置中的寄生环路电感不是很大。 由于我们正在处理 USB，因此最好安全地使用 USB，并在这些区域下放置一个统一的接地层。 在铜铸件中，该间隙下方缺少接地层将导致差分阻抗不连续，并导致通过电容器的返回路径较长。 该返回路径将具有更高的环路电感，从而导致更大的 EMI 和串扰。

就我个人而言，我不会担心电容器，也不会完全隔离接地区域，除非此类系统中有一些隔离的原因（例如低压区域和高压区域、操作员安全问题、一些行业标准、 ETC。）。 除非需要电流隔离并且未设计高速返回路径，否则仅应使用统一的接地层。 也可以将整个表层灌入地，然后绑回主PCB板地平面。 您将消除在接地层间隙中布线时出现的辐射 EMI 问题，并确保表层不同信号之间的高度隔离。

综上所述，当需要提供清晰的返回路径时，请使用PCB接地平面，并且不要在接地平面中放置间隙和间隙来创建具有不同元件块的区域。 需要一些技术来确保 PCB 不同部分之间的返回路径不会重叠并产生串扰

如果由于某种原因需要在不同的接地区域使用星形接地策略，则在任何情况下都不应开始在不同接地平面区域之间的非接地区域上路由数字信号。 这就是高辐射EMI和EMC测试失败的秘密。

---- PCB组装和PCB加工厂家讲解多层堆叠中PCB接地平面的最佳实践。