PCB设计中的接地和电压布线考虑

2020年4月9日

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在PCB设计中实现电源和接地平面的最佳实践

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很容易插上电源的画面，或者真的很容易

将电源线插入墙上的插座或打开电灯开关是如此容易，以至于你可能会认为将印刷电路板上的组件连接到电源或接地似乎也很容易。说实话，这曾经是PCB设计的情况。在信号和电源完整性不是一个大问题的电路板上，你可以简单地在电源或地平面上插入一个通径，然后忘记它。

然而，随着今天电子产品的设计要求，有更多的管理您的配电网络，而不是简单地扔一些通孔到设计中。您需要考虑您的PDN对其余板的影响，同时仍然确保您的设备可以访问适当的电源和地网。这需要在你的电路板的接地和电压路由方面有一些技巧，我们有一些想法可以帮助你。

印刷电路板的接地和电压布线

尽管密集的多层板广泛用于先进的电子设备，仍然需要便宜的两层板。对于不需要太多电路的设备，如玩具或其他简单的消费品，两层板仍然是首选，以减少制造时间和成本。但与此同时，这些电子器件的性能在持续增长，这就需要在电路板的电源传输网络的设计上更加努力。

只有两层工作，你将没有内部的层，你可以用于电力和地面飞机，所以你将不得不路由电力代替。建议在大多数应用程序中设计人员使用尽可能最小的跟踪宽度它们仍然可以以较低的价格生产。这通常以信号的6 mil跟踪和功率的20 mil跟踪结束。请记住，功率的迹宽与电流流量成正比——如果电流增加，迹宽就增加，反之亦然。

当你布线你的板，你应该保持你的信号和电源布线在顶层，并保留底层的返回路径。最简单的方法是将底层作为坚实的地平面。你可能最终不得不使用底层的一些信号路由，但如果你确保你为信号返回保持清晰的路径。

印刷电路板上的信号和电源布线图

将电压与信号轨迹一起布线需要仔细规划

使用底层作为地面也将帮助您解决噪声和其他信号完整性问题，但它也将消耗大量空间。因此，重要的是要仔细规划顶层的电源线路，以确保在整个板中都有良好的电源分配。

您还需要规划您的信号路由，以使敏感迹线不会太接近功率迹线。记住，仅仅因为两层板的制造成本更低，并不会使它更容易设计。事实上，您可能会发现设计一个两层板路由电源轨迹比您预期的更具有挑战性。

如果您正在为您的板布局的更大的路由考虑做更多的准备，请阅读全文我们关于PCB布线的伟大电子书．它提供了以下几点见解:

信号或关键区域网的网络管理策略
通过使用
管理分层盘旋飞行注意事项

此外，如果您正在处理特别密集或具有挑战性的板布局，您可能需要刷新或重新考虑。

从元件到电源和接地的连接

无论你的电源和地面是通过轨迹布线的，还是通过星形连接的，还是通过固体平面传输的，你仍然需要将你的组件连接到它。虽然连接到地面的信号返回路径不需要比常规信号轨迹更多的金属，但传导高电流的连接需要更多的金属。另一方面，金属充当散热器，因此，可能会在制造过程中导致焊接问题。为了解决这个问题，当连接组件引脚到电源和地面时，使用热浮雕是很重要的。

热释放是将金属的一部分从与销钉的连接上移除，以减少其导热能力。如果没有热救济，焊接引脚所需的热量很容易被金属平面吸收，而不是停留在引脚上。PCB设计工具，如Cadence Allegro为设计师提供了操作热浮雕尺寸和形状的能力，如下图所示:

用于管理热浮雕的Allegro动态形状实例参数菜单的截图

使用Cadence Allegro的参数菜单管理PCB设计的热浮雕

在PCB设计中，你会看到表面安装和通孔组件引脚上的热浮雕的变化:

SMT针:

如果SMT引脚连接到有大面积金属的电源或地面，它可能会导致它们与金属较少的引脚之间的热不平衡。在小的双针分立部件中，这种不平衡可能导致一种称为“墓碑效应这种情况下，一个引脚上的焊料回流比另一个快，并将零件拉起并远离另一个引脚。

当将离散的SMT引脚连接到接地或电压布线时，最好使用足以满足当前需求的迹宽，以提供热救济。这将有助于保持部分的两个引脚热平衡。

小的分立部件的另一个问题是，当一个销钉放在大面积的金属上时。虽然这提供了最好的电气性能，但它也表现为一个巨大的散热器，与其他引脚造成大量的热不平衡。为了满足电气设计和PCB制造的需求，这里的最佳实践是用多个迹线或“领带”连接SMT引脚。这为SMT引脚提供了焊接所需的热释放。

通孔针:

将通孔引脚连接到电源和接地迹线通常与从引脚直接连接到引脚衬垫的任何其他迹线一样。如果痕迹比衬垫更宽，或者有金属填充区域，如电源或地平面，你会想使用下图所示的热缓解衬垫。

这些散热装置提供了足够数量的金属来传导电流，但减少了金属平面从插销拉出的热量。使用PCB设计工具，如Cadence Allegro，您可以控制领带的宽度和空间在热浮雕，以给垫足够的金属，以满足其需求。

接地面上通孔销的散热装置

动力飞机和地面飞机的利弊

如果你正在设计一个多层电路板，你可能会配置专门的电源和接地平面的板层堆叠。使用飞机的最大优势是，它提供了一种简单的方法，将您的组件连接到电源和地面，而不必像在两层板上那样使用宽的线路供电。在你的设计中使用地面还会给你带来很多其他好处，包括以下几点:

返回路径信号将从信号源传播到目的地，然后需要返回到信号源。如果它们没有一条清晰的返回路径，它们就会在四处游荡时产生大量噪音，从而影响到其他电路。地面将提供一个容易的返回路径。
屏蔽:地平面将有助于保护敏感电路免受外部电磁干扰(EMI)的影响，并防止内部产生的EMI影响其他设备。此外，在设计中使用活动信号层之间的地平面将有助于减少层之间横向耦合或串扰的可能性。
减少噪音:当数字电路开关状态时，它们会产生通过接地电路的噪声脉冲，这可能在其他电路中造成错误的开关。地平面的大面积将有助于减少影响，因为它有一个较低的阻抗，如果接地通过一个轨迹。
散热:地面也可以作为一个很好的散热器的组件运行热。通过将这些部件与接地面通过孔连接，热量可以均匀地分布在单板周围。

另一方面，当使用动力和地面飞机时，也会有一些需要提及的缺点。飞机将增加板的层数，这将增加制造成本。电路的不同领域，如数字和模拟领域，都需要小心地管理各自的场地，以便其中一方的噪音不会对另一方产生不利影响。当飞机被分割以适应多个电源或地网时，必须小心。这对于信号返回路径尤其重要，因为分裂的平面可能会无意中破坏或阻塞本该清晰的路径。

然而，所有这些问题都是PCB设计过程的一部分，它们可以通过使用先进的PCB设计工具熟练地导航。

《节奏快板》中的3D布局截图