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PCB接地设计

PCB接地设计

发布时间:
2018/10/17 20:31
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PCB的设计在电子产品的设计中可谓是必不可少的且重中之重的,PCB设计的好与坏将直接影响到产品功能的实现。设计一个PCB电路实现其功能并不难,难的是其不受各种影响(如温湿度变化,气压变化,机械冲击、腐蚀影响等)而能持续保持正常稳定的工作,这样我们就会采取各种设计手段或制造工艺措施来排除或减少这些影响以保证PCB的正常工作,比如选用更宽温的元器件以适应高温或低温的使用环境;尽量使印制板两面的电路图形的面积相等来防止温度变化带来的印制板翘曲变形;合理安排大且重的元器件在印制板的位置并设计相应的安装固定结构以防止振动造成元器件脱落等。
PCB接地设计 
首先最重要的就是接地,大家都知道接地设计是系统设计的基础,良好的接地是一个系统安全、稳定工作的前提。广义的接地包含两方面的意思,即接实地和接虚地。接实地指的是与大地连接;接虚地指的是与电位基准点连接,当这个基准点与大地电气绝缘,则称为浮地连接。
接地的目的有两个:
一是为了保证控制系统稳定可靠地运行,防止地环路引起的干扰,常称为工作接地;
二是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全,这称为保护接地。 
如果不考虑安全接地,仅从电路参考点的角度考虑,接地可分为悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地。
浮地的目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开。这种接地方式的缺点是设备不与大地直接相连,容易产生静电积累,并最终发生具有强大放电电流的静电击穿现象。通常采取的办法是在设备与大地之间接进一个阻值很大的电阻,以消除静电积累。单点接地是指在一个电路中,只有一个物理点被定义为接地参考点。
多点接地是指某个系统中,各个接地点都接到距离它最近的接地平面上,以使接地引线长度最短。它是高频信号电路唯一实用的接地方式。一般来说,当频率低于1MHz时,采用单点接地方式为好;当频率高于10MHz时,采用多点接地方式为好;而在1~10MHz之间时,如果采用单点接地,其地线长度不得超过波长的1/20,否则应采用多点接地方式。一般情况下,在普通的工业控制系统中,信号频率大多小于1MHz,所以通常也就采用单点接地方式。
混合接地就是单点接地和多点接地的组合,适用的工作频率范围一般为500kHz~30MHz。 
 
在计算机控制系统中,大致又分为以下几种地线:模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。
模拟地作为传感器、变送器、放大器、A- D和D- A转换器中模拟电路的零电位。
模拟信号有精度要求,它的信号比较小,而且与生产现场连接。有时为区别远距离传感器的弱信号地与主机的模拟地关系,把传感器的地又叫信号地。
数字地作为计算机各种数字电路的零电位,应该与模拟地分开,避免模拟信号受数字脉冲的干扰。
系统地是上述几种地的最终回流点,直接与大地相连作为基准零电位。
交流地是计算机交流供电的动力线地或称零线,它的零电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有几伏乃至几十伏的电位差存在。另外,交流地也容易带来各种干扰。因此,交流地绝不允许与上述几种地相连,而且交流电源变压器的绝缘性能要好,绝对要避免漏电现象。
保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地,目的是使设备机壳与大地等电位,以避免机壳带电影响人身及设备安全。 
了解了地线的分类和作用后,就需要将PCB中的地线进行区别分类,并采取相应的处理办法来设计地线。如TTL、CMOS器件的地线要呈辐射状,不能形成环形;印制电路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽度,不要小于3mm,在可能的情况下,地线越宽越好;旁路电容的地线不能长,应尽量缩短;大电流的零电位地线应尽量宽,而且必须和小信号的地分开。
为便于合理地选择接地导体及其连接方式我们按表1对接地进行了一些分类。 
 
 
还有一个需要重视的问题是PCB设计中对于参考平面的处理,这会直接影响到PCB的质量。一般我们可按照如下方法进行一些处理: 
 
1)电源平面紧靠地平面(仅限于高频电路):当电路的工作频率很高(如大于100MHz)时,电源平面应该紧靠地平面,这样可以最大化电源平面与地平面的电容耦合,降低电源的噪声。
 
2)多个地平面用过孔相连:当PCB中有多个地平面层时,应该在板上用较多分散的过孔将地平面连接在一起,特别在信号集中换层的地方,以便为换层的信号提供较短回路和降低辐射。如图1所示在平面的周用过孔将地平面连接在一起,可以有效地降低PCB对外的辐射。 
 
 
 
3)条件允许时,采用20H原则:由于电源层与地层之间的电场是变化的,在板的边缘会向外辐射电磁干扰,称为边沿效应。解决的办法是将电源层内缩,使得电场只在接地层的范围内传导。以一个H(电源和地之间的介质厚度)为单位,若内缩20H则可以将70%的电场限制在接地层边沿内;内缩100H则可以将98%的电场限制在内。在实施20H原则时,应该优先满足信号的回路最小,信号阻抗连续。
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