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PCB布局中的最佳接地技术

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作者Cadence PCB解决方案

关键的外卖

  • PCB接地技术;不仅仅是简单的网络路由。

  • PCB布局的电源和信号完整性提示。

  • 利用PCB设计工具的强大功能。

多平面是电路板布局中使用的PCB接地技术的一部分

有外部接地平面的电路板

韦氏词典表示，“well-grounded”指的是有坚实的基础。通常，这个短语用于谈论某人的能力，例如“木匠在他的行业基础上很扎实。”有趣的是，当应用到电路板设计时，这个短语具有双重含义，即PCB的坚实基础和设计良好的地面系统。在电子领域，一个良好的电力输送网络依赖于一个坚固的地面系统，为电路板提供坚实的基础。

现代高速电子设备需要精心设计地面系统以最佳表现运作。如果在实施PCB接地时没有适当的注意，电路板可能会遇到许多不同的噪音和电磁干扰(EMI)问题。这里有一些关于PCB接地技术的额外细节，应该有助于您的下一个电路板设计。

PCB接地技术-不仅仅是简单的路由网络

PCB设计中的接地网在外观上可能具有欺骗性。是的，有很多连接，但由于大多数设计将有一个或多个地面平面在他们的层堆叠，你只需要添加一个通过地面，工作就完成了。对吧?从技术上讲，这是正确的，但实际上，有更多的需要进入你的PCB接地技术，以建立一个良好的电力输送网络。

电路板需要精心制作电力输送网络(PDN)为设计中的所有组件提供清洁电力。如果没有，董事会可能会遇到不同的电源完整性问题，这些问题表现在以下方面:

  • PDN噪声会导致电压电平不一致。
  • 由于电压不足而导致的电路故障。
  • PDN产生串扰导致信号误读。
  • 电磁干扰辐射过电路板。

电路板设计人员必须将PDN布局为最佳的电力输送网络，以避免这些问题。

接地策略

首先要做的决定之一就是确定接地策略。低频应用有时会使用单点或“星形”接地技术，其中不同的接地仅在板上的一点连接在一起。频率较高的电路板将使用多地策略，其中通过低阻抗连接，电路板上的所有接地连接共享同一平面。这种技术的缩短连接有助于减少在更高频率下产生的电磁干扰。

参考平面

PCB接地技术的另一个重要方面是如何配置参考平面．信号将使用最简单和最低阻抗的路径作为返回路径，理想情况下，这将是为其设计的地平面。PCB设计人员必须配置它们的布局，有足够的参考平面和明确的返回路径，以防止信号四处游荡并产生额外的噪声和干扰。当我们检查高速设计中的PCB接地技术时，我们将进一步研究参考平面。

电路板上的一个屏蔽区域，它使用电路板的PCB接地技术

像这样的屏蔽区域很好地利用了设计到电路板中的PCB接地技术

高速设计中的电源完整性

为高速电路设置最佳接地策略的第一部分是正确设置板层堆叠。显然，必须考虑制造和组装方面的问题，这就是为什么在开始布局之前与制造商合作以选择最佳材料的原因。您将需要设置一个带状线层配置，并为要布置的不同类型的电路适当地划分设计。

接下来是组件放置。放置高速组件有很多规则，包括遵循信号路径，并在部件之间留下足够的空间用于逃生通道和密集的总线布线。具体来说，对于接地，您将希望将旁路帽放置在尽可能靠近电源和接地连接的地方，并通过短的直接走线和通孔将它们路由到地平面。您还需要确保您的部件放置不会无意中允许跟踪路由越过平面分割(如下图所示)。您还需要放置部件，以避免电路的其他区域，如模拟或电源分区。

设计电路板的目标之一就是以最好的方式来布局它信号的完整性可能的。您已经为带状线路由设置了板层堆叠配置，并且必须在这些地平面之间路由阻抗控制网络。成功的传输线路由取决于这些轨迹与参考地平面耦合，以获得更清晰和不间断的信号返回路径。这些平面还将有助于屏蔽高速电路的内部和外部干扰源，地面平面也将有助于屏蔽高速电路可能产生的任何干扰源。

良好的PCB接地技术也有助于电源电路，我们将在下面讨论。

由Cadence的Allegro PCB编辑器创建的PCB设计中的分割平面

电路板中的分割平面既可用于电源网，也可用于接地网

电源布局

高速设计的许多相同的一般规则也适用于如何布局电源电路．例如，短而直接的路由在这些电路中也很重要。以下是您在设计时应该考虑的电源布局建议:

  • 组件放置:功率组件需要相互靠近，以限制它们在路由中可能产生的噪声量。你仍然需要注意制造商的可制造性设计规则，但让这些部件尽可能靠近。这将使您保持简短的跟踪。此外，请确保不要将电源组件放置在高速数字路由区域。保持电路的不同区域彼此分开。
  • 跟踪路由:电源线路越短，电感就越少，有助于减少电路产生的噪声。你还必须使用足够宽的线，以处理电路的电流，而不冒着烧穿的痕迹。
  • 信号和电源完整性:只要可能，使用一个坚实的平面为PCB接地，而不是布线与痕迹。这将有助于信号和电源的完整性和较高电流的热管理。此外，确保接地平面足够大，以容纳电源电路中的所有组件。这将为EMI问题增加另一层保护。

在电路板设计中创建最好的PCB接地技术将需要大量的工作，但幸运的是，PCB设计CAD工具中的许多实用程序可以提供帮助。

来自Cadence的Allegro PCB编辑器的约束管理器显示了电网的设计规则

设计规则和约束，例如在Allegro的约束管理器中，可以帮助PCB接地

如何使用你的设计工具

在电路板的PDN中设计最佳的PCB接地技术将需要许多不同的走线宽度和间距大小，以及各种组件间隙规则。尝试跟踪所有这些值可能很困难，除非您使用CAD系统的设计规则和约束。在上图中，你可以看到如何使用Cadence的Allegro PCB Editor中的约束管理器来为电网设置不同的设计规则。以同样的方式，您可以使用约束管理器来设置接地网的跟踪宽度和间距，以及放置部件的组件到组件间隙值。像这样的功能可以帮助您避免电源痕迹太窄或狭窄空间没有与正确对齐的潜在问题漏电与间隙要求。

在设计电路板PDN时，其他有用的工具是伴随PCB布局系统的分析工具。例如，Cadence的IR Drop Vision可以直接从Allegro PCB Editor中使用。此工具为您提供您的设计目前能够实现的电源完整性的实时可视化显示。例如，它将向您展示一个组件引脚，该引脚需要来自电网的电压超过其当前路由所允许的电压。在Allegro中，您可以进行更正，然后运行检查，以立即验证问题已得到解决。

要了解更多关于使用电路板设计的PDN的信息，请看看这个电子书关于这个话题。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，和我们的专家团队谈谈吧．