26張圖，講透PCB接地！

PCB 接地是PCB Layout 工程師一直都會(huì)關(guān)注的問題，例如：如何在板上規(guī)劃有效地接地系統(tǒng)，是將模擬、數(shù)字、電源地等所有地單獨(dú)布線還是單點(diǎn)一起布線？如何消除電路板上的接地環(huán)路？

今天主要介紹關(guān)于PCB 接地設(shè)計(jì)、PCB接地技巧、PCB 接地處理。

一、什么是接地？

雖然說這個(gè)問題看起來有點(diǎn)蠢，但不同類型的接地之間還是有區(qū)別的。電氣接地是一個(gè)導(dǎo)電體，它充當(dāng)來自各種設(shè)備的電流的公共返回路徑，通常稱為 0 電位節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)中所有其他電壓都是相對(duì)于這個(gè)節(jié)點(diǎn)。

這里介紹接地不同類型的節(jié)點(diǎn)：

1、浮地

當(dāng)系統(tǒng)沒有可靠的接地連接時(shí)，就會(huì)發(fā)生浮地。因此，接地端子和導(dǎo)體中的電壓是不確定的，無意浮動(dòng)接地被認(rèn)為是系統(tǒng)故障（接地系統(tǒng)中的潛在斷路），但也有有意使用浮動(dòng)接地的應(yīng)用。

在低壓電源和測試儀器中，隔離變壓器用于將低壓接地與主接地系統(tǒng)隔離，以提高安全性。通過浮動(dòng)低壓側(cè)的地，它避免了來自主電源的接地電流路徑。如果低壓側(cè)出現(xiàn)故障，這將提供電氣安全。

浮地2、大地這實(shí)際上是與地球的物理連接，充當(dāng)耗盡剩余電流的安全返回點(diǎn)。3、機(jī)箱接地（安全接地）機(jī)箱接地（安全接地）是從交流電源到產(chǎn)品外殼或底盤的安全線的連接，接地和機(jī)箱接地具有相同的功能，通常與術(shù)語安全接地互換使用。在 PCB 接地方面，沒有一種萬能的方法。要確定將系統(tǒng)接地的最佳方式，你需要了解其中電流的流動(dòng)方式。但是，有多種方法可供選擇，以及適用于大多數(shù)系統(tǒng)的最佳接地實(shí)踐的一些提示。4、信號(hào)地信號(hào)地是電路中使用的任何模擬或數(shù)字信號(hào)的參考，大多數(shù)時(shí)候信號(hào)地等于電源地。但在某些情況下，電路中的信號(hào)使用不同的隔離接地來返回信號(hào)電流，這導(dǎo)致為信號(hào)定義單獨(dú)的接地，信號(hào)地可以在敏感設(shè)備和測量儀器中找到。

原理圖中用于接地的典型符號(hào)在為模擬和數(shù)字部分劃分電路板時(shí)，分離地通常連接在具有模擬和數(shù)字軌道連接的混合信號(hào)設(shè)備下方或附近。當(dāng)在混合信號(hào)設(shè)備下方的模擬地和數(shù)字地平面之間進(jìn)行連接時(shí)，它能夠以最短的長度運(yùn)行混合信號(hào)走線，并減少干擾設(shè)備周邊其他模擬或數(shù)字信號(hào)的機(jī)會(huì)。

模擬地和信號(hào)地分開接地5、虛地虛地常見于運(yùn)算放大器 (Op-Amp)。虛擬接地點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）不直接連接到接地（GND）電流返回路徑，而是保持與接地參考電位匹配。虛擬接地用于分析運(yùn)算放大器的功能。

虛地通過考慮虛擬接地電位，并假設(shè)運(yùn)算放大器不吸收電流，得到以下關(guān)系。

虛地計(jì)算公式

6、交流接地交流接地節(jié)點(diǎn)具有低阻抗直流值，即使受到小的干擾，該直流電壓也是穩(wěn)定的。由于它的直流值，這個(gè)節(jié)點(diǎn)不能作為一個(gè)合適的地，但是因?yàn)樗欠€(wěn)定的，它可以作為一個(gè)參考點(diǎn)。交流接地是將電源引入需要電網(wǎng)電源并以中等高電流運(yùn)行的電路板的標(biāo)準(zhǔn)方法。在下圖中，我們將 3 線單相交流電引入系統(tǒng)，并使用變壓器將其降壓至電路板上所需的電平。PCB 疊層中初級(jí)接地 (PGND) 和次級(jí)接地 (SGND) 之間的分離意味著我們現(xiàn)在在電路板上基本上有一個(gè)隔離電源以及我們的其他重要組件，這些組件可能是高速數(shù)字或精密模擬組件。

輸入功率級(jí)隔離接地7、底盤接地電子產(chǎn)品中需要注意的重要一點(diǎn)是，并非所有系統(tǒng)都有機(jī)箱接地（安全接地）。通常，底盤接地是指外殼中的金屬機(jī)箱，并與機(jī)箱建立連接。在 3 線 AC 系統(tǒng)（火線、中性線和地線）或 3 線 DC 系統(tǒng)（DC+、DC 公共端和地線）中，機(jī)箱接地通常在電源進(jìn)入電源的點(diǎn)處連接到大地。插入系統(tǒng)的一部分也可以連接到機(jī)箱接地以吸收噪聲或出于安全原因（例如，ESD 保護(hù)），如下面所示的示例。這種布置為 3 線連接上的交流或直流輸入提供了共模噪聲過濾。下面原理圖中的機(jī)箱接地直接連接到電路板，并帶有與外殼的低電感接地觸點(diǎn)。請(qǐng)注意，連接器上的引腳 3 是地線。

底盤接地底盤接地連接提供了三個(gè)功能：

• 由于機(jī)箱現(xiàn)在設(shè)置為全局 0 V 參考電位，因此機(jī)箱現(xiàn)在充當(dāng)法拉第籠并提供寬帶屏蔽。
• 它提供了一種安全功能，可以將寄生電流（ESD、短路或噪聲）消散回大地。
• 它可以在此輸入 EMI 濾波器上為共模噪聲提供低阻抗接收器，而無需在板上放置鐵氧體或大扼流圈。

8、多地接地

多地接地通常在兩臺(tái)設(shè)備之間布線時(shí)出現(xiàn)，并且電纜可能有一些屏蔽層連接到每一端的地線。必須在這里小心，因?yàn)閮蓚€(gè)接地連接之間可能有直流電勢差，在實(shí)驗(yàn)室測量時(shí)可能約為 10 V。如果接地橋接（例如沿屏蔽電纜使用屏蔽），接地偏移可能會(huì)導(dǎo)致大的直流電流流過電纜。

多地接地

二、并非所有接地都為 0V

懸空的導(dǎo)體或者系統(tǒng)中參考不同電源的導(dǎo)體可能不具有相同的 0 V 電位。換句話說，兩個(gè)不同的設(shè)備有兩個(gè)接地參加，但連接到同一個(gè)參考，如果你測量它們之間的電位，測量得到是一個(gè)非 0電壓。

在電源系統(tǒng)中，要注意如何使用電容接地以確保接地參考保持一致。Y級(jí)電容最合適，你需要消除平面之間的直流偏移，同時(shí)提供電流隔離和高頻EMI 濾波。

PCB接地電路

當(dāng)兩個(gè)設(shè)備引用相同的導(dǎo)體作為接地連接時(shí)，可能會(huì)發(fā)生下面這種情況。如果你測量長導(dǎo)體上的電位差（例如：使用萬用表），它可能不為 0，這意味著沿著導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)了一些電流。這種沿著大地或兩個(gè)接地連接之間的電位差稱為 “接地偏移”。

三、PCB 接地設(shè)計(jì)

1、地線

所有連接到地面的組件都通過公共跡線連接在一起，這在舊 PCB 和簡單 PCB 中很常見。

地線

2、公共接地平面

公共接地平面是PCB設(shè)計(jì)中最常見的做法。PCB 上未被走線或元件利用的自由空間被從地面覆蓋。公共接地平面顯著改善了 PCB 的熱特性，也有助于降低電磁干擾 (EMI)。

公共接地平面

3、專用接地層

專用接地層用于多層 PCB，組件通過接地過孔連接到接地層。可以在具有 3 層及以上層的密集復(fù)雜 PCB 中找到。

專用接地層4、電力系統(tǒng)接地在電力系統(tǒng)安裝中，所有接地連接都連接到接地母線。該母線連接到接地導(dǎo)體，該接地導(dǎo)體連接到接地棒或接地網(wǎng)。

電力系統(tǒng)接地接地母線將所有裝置的所有接地線匯集到一個(gè)公共點(diǎn)。該點(diǎn)的接地電阻應(yīng)低于 5 歐姆，以提供更好的接地，使用高規(guī)格電線將接地母線連接到接地裝置。（接地棒和接地網(wǎng)）5、等電位接地或者接地等電位接地意味著保護(hù)區(qū)中的每個(gè)導(dǎo)電元件都應(yīng)具有相同的接地電位，是通過電氣連接設(shè)備底盤、金屬管道和所有接地裝置來實(shí)現(xiàn)的。等電位確保了該區(qū)域中的任何導(dǎo)電部件之間沒有明顯的電位差，并防止在故障期間觸電。

等電位接地或者接地

四、PCB 接地技巧

1、PCB 全部連接完整PCB 布局上不應(yīng)有任何未連接的東西。如果你的板上有一個(gè)開放空間，得用銅和過孔填充它以連接接地層，這將為 PCB 的所有信號(hào)創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)化的路徑，以有效地到達(dá)地面。2、接地層使用接地層是許多 PCB 設(shè)計(jì)人員最常用的技術(shù)。接地層通常由銅制成，覆蓋 PCB 上沒有組件或走線的所有區(qū)域。一些規(guī)則適用于接地層，具體取決于電路板的層數(shù)。例如，如果電路板有兩層，則規(guī)則規(guī)定應(yīng)該將接地層放在底層，將走線和組件放在頂層。

接地層放置接地層時(shí)，應(yīng)確保它不會(huì)形成導(dǎo)電材料環(huán)。該環(huán)增加了接地層對(duì)電磁干擾 (EMI) 的敏感性。當(dāng)外部磁場與導(dǎo)電環(huán)接觸時(shí)，它會(huì)充當(dāng)電感，產(chǎn)生稱為接地回路的電流。接地回路會(huì)干擾產(chǎn)生電噪聲的其他電路。當(dāng)在整個(gè)底層的下方放置一個(gè)接地層并移除所有包含電氣元件的部件時(shí)，可能會(huì)形成一個(gè)導(dǎo)電環(huán)。應(yīng)確保走線盡可能短，并在其下方放置接地層以防止出現(xiàn)振鈴。此外，可以通過調(diào)整走線和組件的布局來避免創(chuàng)建導(dǎo)電環(huán)。每個(gè)組件都必須單獨(dú)連接到一個(gè)實(shí)心接地層以避免接地回路。

由連接到接地層的兩條跡線形成的接地回路使用機(jī)箱接地時(shí)，你可以通過在連接到機(jī)箱的接地部分放置一個(gè)空隙來避免接地回路，如下所示。電容的使用提供了一個(gè)交流接地點(diǎn)。對(duì)于需要使用墻壁電源并需要直接返回地面的電氣設(shè)備來說，這是一種理想的情況。

消除接地回路天線3、模擬和數(shù)字組件排列元件應(yīng)布置在靠近地的信號(hào)層上，以使返回路徑短且走線耦合到地。如果 PCB 包含模擬和數(shù)字組件，則必須非常小心地放置接地連接。電路板的模擬部分和數(shù)字部分應(yīng)該在物理上分開，但它們?nèi)匀恍枰B接到電源返回路徑。

混合信號(hào)接地連接有些人可能會(huì)建議將數(shù)字地和模擬地完全分開，然后使用鐵氧體磁珠將它們連接起來，但這可能會(huì)產(chǎn)生比它所解決的更多的 EMI 和噪聲問題，尤其是當(dāng)在非常高的頻率下工作時(shí)。連接這些部分的一個(gè)好方法是將電源返回路徑放置在兩個(gè)平面之間，這樣任何一個(gè)部分的返回電流都不會(huì)進(jìn)入另一個(gè)平面。重要的是要注意，不應(yīng)在兩個(gè)接地層之間的間隙上布線任何走線，因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生很長的電流返回路徑，極易受到 EMI 的影響。接地層之間的空間可用于放置 ADC 等混合信號(hào)組件。4、接地層過孔如果 PCB 的兩側(cè)都有接地層，它們將通過板上許多不同位置的過孔連接。這些通孔是穿過電路板并將兩側(cè)相互連接的孔，允許從任何可以插入通孔的地方訪問接地層。使用過孔可以幫助你避免接地環(huán)路。它們將組件直接連接到接地點(diǎn)，接地點(diǎn)通過低阻抗連接到電路的所有其他接地點(diǎn)，同時(shí)還有助于縮短返回循環(huán)的長度。

接地層過孔接地平面通常在流入它的電流頻率的特定波長處諧振。你應(yīng)該在接地層周圍以精確的間隔放置過孔，以避免接地層諧振。帳篷通孔是 PCB 板的一個(gè)重要方面，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^通孔將熱量吸收到板的另一側(cè)，從而有助于冷卻熱運(yùn)行的組件。在 PCB 板布局沒有過孔的情況下，可以使用小型鉆孔機(jī)鉆幾個(gè)孔，然后將銅穿過孔并焊接，從而實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的連接。5、去耦去耦是在集成電路芯片旁邊實(shí)施LC 網(wǎng)絡(luò)提供瞬態(tài)開關(guān)電流的過程。為集成電路芯片安裝電源引腳將它們連接到外部電源。此外，還包含將它們連接到 PCB 接地層的接地引腳。應(yīng)該在電源引腳和組平面之間 放置去耦電容，以消除由芯片中提供的電壓產(chǎn)生的振蕩。

高頻去耦的正確和錯(cuò)誤放置去耦電容對(duì)于改善和增強(qiáng) PCB 的功能至關(guān)重要。電容設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)電荷，因此 PCB 中的去耦電容充當(dāng)電荷存儲(chǔ)設(shè)備。因此，如果 IC 需要更多電荷，則去耦電容通過低電感路徑向 IC 提供電荷。除了增強(qiáng) PCB 功能外，去耦電容還可以有效降低 多層平面上電源產(chǎn)生的噪聲。此外，去耦電容還降低了 EMI。

6、PCB 中的所有連接器都應(yīng)接地

在連接器中，所有信號(hào)線必須并行運(yùn)行。因此，你必須使用接地引腳分離連接器。每塊電路板可能需要多個(gè)連接器引腳連接到地。只有一個(gè)引腳可能會(huì)導(dǎo)致阻抗不匹配問題，從而導(dǎo)致振蕩。如果兩個(gè)連接導(dǎo)體的阻抗不匹配，它們之間流動(dòng)的電流可能會(huì)來回反彈，這些振蕩會(huì)改變系統(tǒng)的性能并導(dǎo)致其無法按預(yù)期工作。連接器的每個(gè)引腳的接觸電阻很低，但可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而上升。因此，最好使用多個(gè)接地引腳。PCB 連接器中大約 30% 到 40%的引腳應(yīng)該是接地引腳。連接器有不同的間距，并且可以有不同數(shù)量的引腳排，連接器的引腳也可以平行于 PCB 表面或與其成直角。

7、始終提供一個(gè)共同的接地點(diǎn)

無論是單層 PCB 還是多層 PCB ，都需要一個(gè)點(diǎn)來將所有接地點(diǎn)連接在一起。這可能是機(jī)箱上的金屬框架或 PCB 上的專用接地層，你通常會(huì)聽到將這個(gè)公共接地點(diǎn)稱為星形接地。

始終提供一個(gè)共同的接地點(diǎn)

8、盡量減少串聯(lián)過孔

確保盡量減少接地路徑上的串聯(lián)過孔，而是將組件接地直接發(fā)送到專用接地層。添加到電路板的通孔越多，必須處理的阻抗就越大，這對(duì)于可以將阻抗路徑變成電壓差的快速瞬態(tài)電流尤其重要。

9、布線前設(shè)計(jì)接地

在進(jìn)行任何布線之前，請(qǐng)務(wù)必先正確設(shè)計(jì)的地面，這是整個(gè)路由過程的基礎(chǔ)。

10、確定 PCB 上電流的走向

許多設(shè)計(jì)人員只考慮他們的信號(hào)傳輸?shù)侥睦?，?span style="color:rgb(143,43,255);">每個(gè)信號(hào)都有一條返回路徑通過地面。信號(hào)的發(fā)送和返回路徑將具有相同的電流，這會(huì)影響電源穩(wěn)定性和接地反彈。你可以使用基爾霍夫電流定律來了解電流將如何通過你的電路。

確定 PCB 上電流的走向

11、疊層中的接地層

在多層 PCB 中，堆棧中電源、信號(hào)和接地層的排列對(duì)信號(hào)完整性有重大影響，并將影響布線策略。將接地層保持在信號(hào)層附近以最小化電流的返回路徑非常重要。在 4 層板中，電源層和接地層通常位于內(nèi)層，而信號(hào)走線和元件位于外兩層。

12、規(guī)劃接地平面之間的動(dòng)態(tài)差異

在多層 PCB 的板之間發(fā)送接地連接時(shí)，始終計(jì)劃動(dòng)態(tài)變化。在處理需要長距離電纜的應(yīng)用時(shí)尤其如此。對(duì)于這些情況，你可以使用低壓差分信號(hào)、光隔離器和共模扼流圈來控制變化。

13、注意混合信號(hào)的布線區(qū)分

電路板的模擬部分需要分開，這包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在設(shè)計(jì) PCB 的“平面圖”時(shí)，務(wù)必將這些區(qū)域隔離開來。ADC 的接地可以連接到一個(gè)公共接地點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)可以通過該接地點(diǎn)傳遞到 PCB 的其他部分。

注意混合信號(hào)的平面規(guī)劃

14、避免接地回路

由兩個(gè)走線連接形成的接地回路根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，“接地回路”一詞可以指系統(tǒng)受到接地電位差異影響的任何情況。一個(gè)典型的例子是，當(dāng)兩個(gè)模塊通過一根長電纜連接時(shí)，電纜中的返回電流導(dǎo)致一個(gè)模塊的接地電壓明顯高于另一個(gè)模塊的接地電壓。不過，這里專門指的是接地回路。例如：

接地回路如果你必須使用單獨(dú)的 PCB 走線進(jìn)行大量接地連接，則創(chuàng)建如上圖所示的環(huán)路其實(shí)很容易。接地平面的存在并不意味著不可能創(chuàng)建接地回路，因?yàn)?CAD 程序不會(huì)阻止你在接地點(diǎn)之間繪制軌跡。但是，如果你始終使用過孔或通孔進(jìn)行接地連接，那么問題應(yīng)該會(huì)在很大程度上消失：通過將過孔放到平面上，你可以直接從組件連接到接地點(diǎn)，該接地點(diǎn)通過低阻抗連接到所有其他接地電路中的點(diǎn)。

避免接地回路在 PCB 布局中正確放置組件很重要。可以在組件正下方進(jìn)行分割接地層的連接，以避免接地回路。

避免接地回路在具有多個(gè)子系統(tǒng)的 PCB 布局中，可以仔細(xì)布置混合信號(hào)組件，以便在組件下方連接板分區(qū)以避免接地環(huán)路。