PCB接地设计和布局最佳实践
1. 接地线
所有接地的部件都通过一条公共走线连接在一起。这在老式PCB设计和简单的PCB设计中很常见。
2. 公共接地平面
共用接地平面是以下几种中最常用的方法之一： PCB设计PCB 上任何未被线路或元件占用的空余空间都覆盖有接地铜。
共用接地层可以大大提高PCB的散热性能，还有助于减少电磁干扰（EMI）。
公共地平面
3.专用接地平面
多层PCB中会使用专用的接地层。元件通过接地过孔连接到接地层。这种设计常见于具有三层或更多层的密集且复杂的PCB中。
专用地面平面
4. 电力系统接地
在电力系统装置中，所有接地连接都连接到接地母线。该母线连接到接地导体，该接地导体再连接到接地棒或接地网。
电力系统接地
接地母线将所有设备的接地线汇聚到一个公共点。该点的接地电阻应低于 5 欧姆，以确保良好的接地效果。使用高品质导线将接地母线连接到接地装置，例如接地棒或接地网。
5. 等电位接地
等电位接地是指受保护区域内的所有导电部件都应具有相同的接地电位。这可以通过将设备机箱、金属管道和所有接地装置进行电气连接来实现。
等电位接地确保该区域内所有导电部件之间不存在明显的电压差。它还有助于防止故障发生时发生触电。
等电位接地
PCB接地设计技巧
1. 确保所有PCB连接完整
PCB布局中不应存在未连接的元件。如果电路板上有空隙，请用铜箔和过孔将其填充，以连接接地层。这样可以为PCB上的所有信号提供清晰且有序的接地路径。
2. 地面
使用接地层是PCB设计人员最常用的方法之一。接地层通常由铜制成，覆盖PCB上所有没有元件或走线的区域。
接地层有一些规则，这些规则取决于电路板的层数。例如，如果电路板有两层，通常的规则是将接地层放在底层，将走线和元件放在顶层。
地平面
放置接地层时，应确保其不会形成导电材料回路。这种回路会使接地层更容易受到电磁干扰 (EMI) 的影响。当外部磁场接触到导电回路时，它会像电感器一样产生电流，称为接地回路。接地回路会干扰其他电路并导致电噪声。
当整个底层下方都铺设了接地层，并且所有包含电子元件的部分都被移除时，可能会形成导电回路。为了防止振铃，应该尽可能缩短走线长度，并在其下方铺设接地层。此外，还可以通过调整走线和元件的布局来避免形成导电回路。
为避免形成接地回路，每个组件都必须单独连接到可靠的接地平面。
由两条连接到地平面的导线形成的接地回路
使用机箱接地时，可以通过在连接到机箱的接地部分设置间隙来避免接地回路，如下图所示。使用电容器可以提供交流接地端。这对于使用墙壁电源且需要直接接地的电气设备来说非常理想。
移除接地环路天线
3. 模拟和数字元件的布局
元件应靠近接地信号层放置，以确保回流路径短，并使走线与地良好耦合。如果PCB同时包含模拟和数字电路，则必须非常谨慎地放置接地连接。电路板的模拟部分和数字部分应在物理上分离，但仍需连接到电源回流路径。
混合信号接地连接
有些人可能会建议将数字地和模拟地完全分离，然后用磁珠连接它们。但这反而会带来更多的电磁干扰和噪声问题，尤其是在电路工作频率非常高的情况下。
连接这些部件的一个好方法是将电源回流路径放置在两个接地层之间，这样来自一个部件的回流电流就不会进入另一个接地层。需要注意的是，任何走线都不应跨越两个接地层之间的间隙，因为这会形成非常长的电流回流路径，而这种路径对电磁干扰 (EMI) 非常敏感。接地层之间的空间可用于放置混合信号部件，例如模数转换器 (ADC)。
4. 接地平面过孔
如果PCB板两侧都有接地层，则两侧通过放置在板上多个不同位置的过孔连接。这些过孔是贯穿电路板并将两侧连接起来的小孔，因此可以从任何可以放置过孔的位置连接到接地层。
使用过孔可以帮助避免接地环路。过孔将元件直接连接到接地端，并且该接地端与电路中的所有其他接地端都具有低阻抗连接。过孔还有助于缩短回路的长度。
接地平面过孔
接地层通常会在流入其中的电流频率的特定波长处发生谐振。为了避免接地层谐振，应在接地层周围以固定且精确的间距布置过孔。带顶盖的过孔是PCB的重要组成部分，因为它们有助于将热量通过过孔导出到电路板的另一侧，从而帮助冷却发热元件。
如果 PCB 布局中没有过孔，你可以用小型钻机钻几个小孔，然后将铜箔穿过这些孔，并焊接起来，从而将两边连接起来。
5. 解耦
去耦是指在集成电路芯片旁边放置一个LC网络，以提供瞬态开关电流。集成电路上的电源引脚将其连接到外部电源。此外，还包含接地引脚，用于将其连接到PCB的接地层。
应在电源引脚和接地层之间放置一个去耦电容，以消除芯片供电电压引起的振荡。
高频解耦的正确和错误放置
去耦电容对于提升和增强PCB的功能至关重要。电容的设计目的是存储电荷，因此PCB中的去耦电容就相当于一个电荷存储装置。
因此，如果集成电路需要更多电荷，去耦电容会通过低电感路径为集成电路提供电荷。除了改善印刷电路板的功能外，去耦电容还可以降低多层板上电源产生的噪声。此外，去耦电容还能降低电磁干扰。
6. PCB板上的所有连接器都应接地。
在连接器中，所有信号线必须并联。因此，必须使用接地引脚将连接器隔开。
每个电路板可能需要多个连接到地线的连接器引脚。仅使用一个引脚可能会导致阻抗不匹配问题，进而引发振荡。如果两个连接导线的阻抗不匹配，它们之间的电流可能会来回波动。这些振荡会改变系统性能，并导致系统无法按预期工作。
连接器中每个引脚的接触电阻都很低，但会随着时间推移而增大。因此，最好使用多个接地引脚。PCB连接器中大约30%到40%的引脚应该是接地引脚。
连接器的间距各不相同，引脚排数也不同。连接器的引脚可以平行于PCB表面，也可以垂直于PCB表面。
7. 始终提供一个共同的出发点
无论是单层PCB还是多层PCB，都必须有一个点将所有接地端连接在一起。这个点可以是机箱上的金属框架，也可以是PCB上的专用接地层。您通常会听到这个公共接地点被称为星形接地。
始终提供一个共同的出发点
8. 尽可能减少串联过孔
务必尽可能减少接地路径中的串联过孔数量。最好将元件接地直接连接到专用接地层。
电路板上的过孔越多，需要处理的阻抗就越多。这对于快速瞬态电流尤为重要，因为它们会将阻抗路径转化为电压差。
9. 布线前先设计接地层
在进行任何布线之前，务必先做好地面设计。这是整个布线过程的基础。
10. 了解PCB上的电流路径
许多设计人员只考虑信号的去向，但每个信号都有一条通过地线的回流路径。信号的发送路径和回流路径上的电流相同。这会影响电源稳定性和地弹效应。
你可以利用基尔霍夫电流定律来了解电流如何在电路中流动。
了解PCB上的电流路径。
11. 叠层中的接地平面
在多层PCB中，堆叠结构中电源层、信号层和接地层的排列对信号完整性有很大的影响，也会影响布线策略。
为了最大限度地减少电流回流路径，保持接地层靠近信号层至关重要。在四层板中，电源层和接地层通常位于内层，而信号走线和元件则位于外两层。
12. 地面平面间动态差异的规划
在多层PCB板间连接接地线时，务必考虑动态变化。这一点在需要长距离电缆的应用中尤为重要。
对于这些情况，可以使用低压差分信号、光耦合器和共模扼流圈来控制变化。
13. 注意混合信号路由分离
电路板的模拟部分需要分离出来，其中包括模数转换器和数模转换器。
设计PCB布局时，务必隔离这些区域。ADC的地线可以连接到一个公共地点，数字信号可以通过该地点传输到PCB的其他部分。
注意混合信号楼层规划
14. 避免接地回路
由两条导线形成的接地回路
根据经验，“接地环路”一词可以指系统受到地电位差影响的任何情况。一个常见的例子是两个模块通过一根长电缆连接。在这种情况下，电缆中的回流电流会导致一个模块的地电压远高于另一个模块的地电压。但在这里，我们讨论的是一种更具体的接地环路。例如：
接地回路
如果必须使用单独的 PCB 走线来实现多个接地连接，则很容易形成像上面所示的回路。
接地层的存在并不意味着不可能形成接地环路，因为CAD软件不会阻止你在接地点之间绘制走线。但是，如果你始终使用过孔或通孔进行接地连接，那么这个问题基本上就会消失。通过在接地层上放置过孔，你可以直接从元件连接到接地点，并且该接地点与接地网络中的所有其他点都具有低阻抗连接。
避免接地回路
在PCB布局中正确放置元件至关重要。您可以将分离式接地层直接连接到元件下方，以避免形成接地回路。
避免接地回路
在包含多个子系统的PCB布局中，您可以谨慎放置混合信号元件，确保板级分区连接位于元件下方。这有助于避免接地环路。
