什么是接地反彈？接地反彈的原因和抑制方法

一、什么是接地反彈

地彈是一種噪聲，當(dāng) PCB 接地和芯片封裝接地處于不同電壓時(shí)，晶體管開(kāi)關(guān)器件會(huì)出現(xiàn)這種噪聲。

為了更好地理解接地反彈，可以看下面的推挽電路，該電路可以提供邏輯低或者邏輯高輸出。

推挽電路

該電路由 2 個(gè) MOS 管組成：上方的P 溝道 MOS管的源極連接到 Vss，漏極連接到輸出引腳。下部N 溝道 MOS的漏極連接到輸出引腳，源極接地。

這 2 種 MOS管類(lèi)型對(duì) MOS 管柵極電壓具有相反的響應(yīng)。MOS管的柵極處的輸入邏輯低信號(hào)將導(dǎo)致P溝道MOS管將Vss連接到輸出，并導(dǎo)致N溝道MOS管將輸出與GND斷開(kāi)。

MOS管柵極處的輸入邏輯高信號(hào)將導(dǎo)致P溝道MOS管將其Vss與輸出斷開(kāi)，并導(dǎo)致N溝道MOS管將輸出連接到GND。

將 IC 芯片上的焊盤(pán)連接到 IC 封裝的引腳上是微小的鍵合線，這些必需品具有少量電感，由上面的簡(jiǎn)化電路建模。電路中當(dāng)然也存在一定量的電阻和電容，這些電阻和電容沒(méi)有建模，也不一定需要理解。

推挽電路

全橋開(kāi)關(guān)的等效電路中顯示了3個(gè)電感，電感符號(hào)代表封裝電感（IC封裝設(shè)計(jì)固有的電感），電路輸出連接到一些元件。

想象一下輸入在很長(zhǎng)一段時(shí)間后保持在邏輯電平后遇到這個(gè)電路。這種狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致上部晶體管通過(guò)上部MOS管將電路的輸出連接到Vss。經(jīng)過(guò)適當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后，LO和LA將存在穩(wěn)定的磁場(chǎng)，并且ΔV O、ΔV A和ΔV B的電勢(shì)差為0伏，跡線中將存儲(chǔ)少量電荷。

一旦輸入邏輯切換到低電平，上部 MOS管 就會(huì)斷開(kāi) Vss 與輸出的連接，下部柵極將觸發(fā)下部 MOS管將電路的輸出連接到 GND。

此時(shí)輸入邏輯發(fā)生變化，結(jié)果在整個(gè)系統(tǒng)中移動(dòng)。

二、接地反彈的原因

輸出和接地之間的電位差異電流從輸出通過(guò)下部MOS向下移動(dòng)到接地。電感利用存儲(chǔ)磁場(chǎng)中的能量在 ΔV O和 ΔV B之間建立電勢(shì)差，試圖抵抗磁場(chǎng)的變化。

即使是電氣連接，輸出和接地之間的電位差也不會(huì)立即處于0V。記住，輸出之間處于Vss，而MOS管 B 的源極之間處于0V電位。當(dāng)輸出線放電時(shí)，先前的電位差將導(dǎo)致電流流動(dòng)。

在電流開(kāi)始從輸出流向接地的同時(shí)，封裝的電感特性在 ΔV B和 ΔV O之間產(chǎn)生電勢(shì)差，以嘗試維持先前建立的磁場(chǎng)。

電感 LB和 LO 改變 MOS管 源極和漏極電勢(shì)。這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)?MOS管 柵極電壓以芯片封裝上的地為參考。當(dāng)電路在柵極觸發(fā)閾值附近振蕩時(shí)，輸入電壓可能不再足以保持柵極打開(kāi)或?qū)е缕涠啻未蜷_(kāi)。

當(dāng)電路再次切換時(shí)，一組類(lèi)似的情況將導(dǎo)致在 ΔVA 上建立電勢(shì)，從而將 MOSFET A 的源極電壓降低到觸發(fā)閾值以下。

三、為什么接地反彈不好？

當(dāng)輸入改變狀態(tài)時(shí)，輸出和MOS管不再處于定義的狀態(tài)，介于兩者之間。結(jié)果可能是錯(cuò)誤或雙重切換。此外，IC芯片上共享相同 GND 和Vss連接的任何其他部門(mén)都將受到開(kāi)關(guān)時(shí)間的影響。

但接地反彈的影響不僅限于IC芯片。正如ΔVB 迫使 MOS管 源極電勢(shì)高于 0V 一樣，它也迫使電路 GND 電勢(shì)低于 0V。你看到的很多描述接地反彈的圖像都顯示了外部影響。

如果同時(shí)切換多個(gè)門(mén)，則效果會(huì)更加復(fù)雜，并可能完全破環(huán)電路。你可以在下面的示例中看到反彈。下圖顯示了連接并激活了顯著GND和Vss反彈。

這里，開(kāi)關(guān)期間在3.3V線路上產(chǎn)生約1V的噪聲，該噪聲在最終落入背景線路噪聲之間繼續(xù)在信號(hào)線路中明顯諧振。

噪聲不僅限于正在開(kāi)關(guān)的門(mén)。開(kāi)關(guān)門(mén)連接到IC電源引腳，而PCB通常共享公共電源和接地軌。意味著噪聲可以通過(guò)芯片上的 Vss 和接地的直接電氣連接到 PCB上走線的耦合輕松傳遞到電路中的其他位置。

在上圖中，通道2（青色）顯示無(wú)阻尼信號(hào)線中的接地和Vss反彈，該問(wèn)題非常嚴(yán)重，以至于會(huì)傳送到通道1上的另一條信號(hào)線（黃色線）

四、減少接地反彈的方法

1、使用去耦電容1來(lái)定位接地反彈

減少地彈的首選解決方案是在每個(gè)電源軌和地之間安裝SMD去耦電容，并盡可能靠近IC。遠(yuǎn)處的去耦電容具有很長(zhǎng)的走線，會(huì)增加電感，因此安裝在遠(yuǎn)離IC的地方對(duì)自己沒(méi)有任何好處。當(dāng)IC芯片上的晶體管切換狀態(tài)時(shí)，會(huì)改變芯片上晶體管和本地電源軌的電位。

去耦電容為IC提供臨時(shí)、低阻抗、穩(wěn)定的電位并限制反彈效應(yīng)，防止其擴(kuò)散到電路的其余部分。通過(guò)電容靠近IC，可以最大限度地減少PCB走線中的電感環(huán)路面積并減少干擾。

混合信號(hào)IC通常具有獨(dú)立的模擬和數(shù)字電源引腳，你可以在每個(gè)電源輸入引腳上安裝去耦電容。電容應(yīng)該位于IC和連接到PCB上相關(guān)電源層的多個(gè)過(guò)孔之間。

去耦電容應(yīng)通過(guò)過(guò)孔連接到電源層

多個(gè)過(guò)孔是首選，但是由于PCB尺寸要求，通常是不可能的?？梢缘脑?，使用銅澆注或者淚滴來(lái)連接過(guò)孔，如果鉆頭稍微偏離中心，額外的銅有助于將過(guò)孔連接到走線。

IC (U1) 和四個(gè)電容（C1、C2、C3、C4）的銅焊盤(pán)

C1 和C2 是用于高頻干擾的去耦電容。根據(jù)數(shù)據(jù)表建議將 C3 和 C4 添加到電路中。由于其他平面的限制，過(guò)孔放置并不理想。

有時(shí)候，在物理上不可能將去耦電容放置在靠近IC的位置。但是，如果將其放置在遠(yuǎn)離IC的地方，則會(huì)產(chǎn)生電感環(huán)路，從而導(dǎo)致接地反彈問(wèn)題更嚴(yán)重。

如果這樣的話，可以將去耦電容放置在IC下方PCB的另一側(cè)。實(shí)在不行，你可以使用相鄰層上的銅在板內(nèi)制造自己的電容，這樣的電容被叫做嵌入式平面電容。由于PCB中由非常小的介電層隔開(kāi)的平行銅澆注組成。這種類(lèi)型電容的額外好處之一是唯一的成本是時(shí)間。

2、使用電阻限制電流

使用串聯(lián)限流電流電阻來(lái)防止過(guò)量電流流入和流出IC。這不僅有助于降低功耗并防止設(shè)備過(guò)熱，而且還能限制從輸出線通過(guò)MOS管流向Vss和GND的電流，從而減少接地反彈。

3、使用布線來(lái)降低電感

如果可以的話，將返回路徑保留在相鄰走線和相鄰層上，由于存在厚芯材料，電路板上第1層和第3層之間的距離通常是第1層和第2層之間距離的幾倍。信號(hào)和返回路徑之間任何不必要的分離都會(huì)增加該信號(hào)線的電感以及隨后的地彈效應(yīng)。

你可以看下圖的PCB布局。

模擬和數(shù)字接地分別以白色和黃色突出顯示

該板具有單獨(dú)的模擬和數(shù)字接地返回引腳，PCB的布局抵消了將他們分開(kāi)的影響，IC的數(shù)字接地引腳與接頭排上的接地引腳之間沒(méi)有清晰且直接的路徑。

信號(hào)將通過(guò)IC的迂回路徑到達(dá)接頭引腳，并通過(guò)接地引腳返回迂回路徑。

4、通過(guò)編程和設(shè)計(jì)考慮減少接地彈跳

隨著開(kāi)關(guān)數(shù)量的增加，地彈干擾也會(huì)增加，如果可以的話，用短延遲偏移開(kāi)關(guān)門(mén)。

例如：你的設(shè)計(jì)可能以不同的時(shí)間間隔（1 秒、2 秒、3 秒等）閃爍各種LED，以指示設(shè)計(jì)的狀態(tài)。當(dāng)所有3個(gè)LED同時(shí)切換時(shí)，地彈效應(yīng)對(duì)電路的影響最大。

在這個(gè)例子中，你可以通過(guò)稍微偏移LED來(lái)減輕地彈的影響，使它們不完全同步。在LED之間引入1毫秒的便宜對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)時(shí)感覺(jué)不到的，但會(huì)將地面反彈效應(yīng)降低約3倍。

5、其他PCB布局設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)允許的情況下，盡可能使用焊盤(pán)內(nèi)通孔。

減少信號(hào)返回路徑距離。距離的縮短將減少寄生電容。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，最好將組件放置在其接地點(diǎn)的正上方

勿使用插座或繞線板

勿共用接地過(guò)孔或走線進(jìn)行接地連接。建議使用單獨(dú)的過(guò)孔和走線連接到接地層。

勿將電容直接連接到輸出。

實(shí)施低壓差分信號(hào)(LVDS) 作為 /0 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)提供高帶寬和高抗噪性.

選擇短引線封裝以減少串聯(lián)電感，還建議使用BGA。

使用堅(jiān)固的接地層來(lái)減少 IR 損耗和電感，避免地面分割平面

如果設(shè)計(jì)允許，請(qǐng)嘗試使用較低的開(kāi)關(guān)元件

審核編輯：湯梓紅