接地技術(shù)介紹 (三)
PCB 接地設(shè)計(jì)
優(yōu)秀的PCB設(shè)計(jì),不僅表現(xiàn)在電氣性能指標(biāo)上,還表現(xiàn)在EMC性能指標(biāo)、抗干擾能力。而決定PCB指標(biāo)非常重要的因素之一,就是PCB接地設(shè)計(jì)。
根據(jù)信號(hào)類(lèi)別,接地可以分為模擬地、數(shù)字地;根據(jù)模塊電路不同,接地又可以分為音頻地、圖像地、射頻地、AC電源地、DC電源地等;而根據(jù)地的用途,可以分為信號(hào)回流地、濾波接地、屏蔽接地、保護(hù)接地、參考地平面等。
PCB設(shè)計(jì)時(shí)如何減少地阻抗,如何使不同的地平面之間等電位,在地分隔與參考地平面完整性之間如何平衡,以及跨分隔后如何處理信號(hào)回流路徑面積最小化,接下來(lái)我們逐一分析舉例。
一、如何通過(guò) PCB 接地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)環(huán)路面積最小化
當(dāng)信號(hào)的頻率很低時(shí),信號(hào)的回流主要沿最低電阻路徑,即幾何最短路徑。當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定頻率(F≥1MHz)時(shí),信號(hào)的回流主要集中沿最低電感路徑,返回電流主要沿印制線(xiàn) 下方回流,圖中的虛線(xiàn)表示信號(hào)的回流。
當(dāng)信號(hào)速率較高時(shí),無(wú)論信號(hào)緊靠的是電源平面還是地參考平面,信號(hào)的返回電流總是沿緊靠的參考平面回流。
1.1、PCB 上的環(huán)路天線(xiàn)效應(yīng)
PCB 上快速變化的電流回路,其作用相當(dāng)于小回路天線(xiàn),它會(huì)向外進(jìn)行電磁場(chǎng)輻射(屬于差模輻射方式)。輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度與回路中電流的大小 I、回路的面積 A、電流的頻率的二次方成正比。同理,PCB 上的信號(hào)回路(小回路天線(xiàn))也會(huì)接收周?chē)焖僮兓碾姶艌?chǎng),而產(chǎn)生干擾電流。
當(dāng)出入 PCB 的電纜上存在共模電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生共模輻射。輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度與共模電流的大小、共模電流的頻率、線(xiàn)的長(zhǎng)度成正比。同時(shí),它也會(huì)對(duì) PCB 上的電路產(chǎn)生共模干擾。
1.2、PCB 電流環(huán)路面積最小化設(shè)計(jì)
信號(hào)環(huán)路面積最小化是改善EMC性能指標(biāo)非常經(jīng)濟(jì)有效的措施,而PCB電流環(huán)路面積的最小化設(shè)計(jì)就是利用磁通對(duì)消的原理,抑制空間電磁場(chǎng)的發(fā)射。PCB電流環(huán)路面積最小化設(shè)計(jì),首先是識(shí)別電路中干擾源的電流環(huán)路(主要是高頻電流環(huán)路);其次分析干擾源的電流環(huán)路PCB如何設(shè)計(jì)才能達(dá)到環(huán)路面積最小化;指導(dǎo)PCB Layout工程師進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。
Buck DC-DC 電流環(huán)路面積 PCB 最小化設(shè)計(jì)舉例:
通用 Buck DC-DC 電路設(shè)計(jì)
第一步:識(shí)別干擾源的電流環(huán)路:
通過(guò)分析可知,Buck DC-DC主要電流環(huán)路為開(kāi)通環(huán)路、關(guān)斷環(huán)路(續(xù)流環(huán)路),具體電流環(huán)路如圖所示。
開(kāi)通電流環(huán)路
續(xù)流電流環(huán)路
第二步:分析電流環(huán)路
對(duì)于開(kāi)通環(huán)路來(lái)說(shuō),輸入端高頻濾波電容正極靠近電源引腳,濾波電容的接地端緊挨續(xù)流二極管正極。而對(duì)于續(xù)流環(huán)路來(lái)說(shuō),輸出端高頻旁路電容正極貼片濾波電感輸出引腳,濾波電容接地端緊挨續(xù)流二極管正極。通過(guò)以上方式進(jìn)行PCB設(shè)計(jì),方可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出 高頻環(huán)路面積的最小化。
第三步:如何實(shí)現(xiàn) PCB 電流環(huán)路面積最小化設(shè)計(jì)
備注: 雙層板設(shè)計(jì)時(shí),輸出輸入濾波電容接地端、續(xù)流二極管接地端、DC-DC IC 的接地保持在相同的層,同時(shí)彼此之間的連接保持最低阻抗,參考 Layout 如上圖所示。
1.3、信號(hào)回流路徑的 PCB 設(shè)計(jì)
多層板PCB設(shè)計(jì),信號(hào)回流路徑是沿最下方參考平面(電源平面&參考地平面)返回;雙面板PCB設(shè)計(jì),信號(hào)回流路徑即可以選擇沿最下方參考平面返回,又可以選擇信號(hào)兩側(cè)地線(xiàn)做電流返回路徑;單面板PCB設(shè)計(jì),信號(hào)優(yōu)選兩側(cè)包地線(xiàn)返回,也可以通過(guò)寄生電容沿附近的金屬平面返回。
多層板信號(hào)返回路徑 PCB 設(shè)計(jì)
多層板PCB設(shè)計(jì)時(shí),信號(hào)回流路徑沿最下方參考平面(電源平面&參考地平面)返回到源端是最優(yōu)的設(shè)計(jì)。PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)避免出現(xiàn)下方參考平面跨分隔的情況,例如上圖。
多層板PCB設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)信號(hào)下方參考平面跨分隔不可避免出現(xiàn)時(shí),可在信號(hào)布線(xiàn)兩側(cè)增加伴隨地線(xiàn),為信號(hào)提供回流路徑。也可以在參考平面跨分隔的邊緣,通過(guò)耦合電容的方式進(jìn)行橋接。
多層板PCB設(shè)計(jì)時(shí),信號(hào)有時(shí)不可避免的需要換層,同時(shí)參考平面也不可避免的需要換層,參考平面換層但未改變屬性,只需要在信號(hào)換層過(guò)孔兩側(cè)增加地過(guò)孔伴隨參考平面換層即可。若參考平面屬性改變(由參考地平面改為參考電源平面),則需要在信號(hào)換層過(guò)孔兩側(cè)增加橋接電容連接兩個(gè)不同屬性的參考平面,例如上圖。
雙層板信號(hào)返回路徑 PCB 設(shè)計(jì):
雙層板PCB設(shè)計(jì)時(shí),由于受PCB層數(shù)的限制,很難保證有完整的參考平面為信號(hào)提供回流路徑。故雙層板PCB設(shè)計(jì)時(shí),通常會(huì)選擇信號(hào)兩側(cè)的地線(xiàn)作為回流路徑。此設(shè)計(jì)方式要注意兩側(cè)包地線(xiàn)與參考地平面之間的等位問(wèn)題,包地線(xiàn)與參考地平面之間存在電位差時(shí),則會(huì)產(chǎn)生新的共模電流干擾,導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射發(fā)射問(wèn)題。
選擇信號(hào)兩側(cè)包地線(xiàn)作為信號(hào)返回路徑時(shí),還注意包地線(xiàn)從源端到SINK端的完整性, 當(dāng)信號(hào)底層出現(xiàn)嚴(yán)重的跨分隔時(shí),需保證跨分隔前后地線(xiàn)、跨分隔部分地線(xiàn)與參考地平面的等電位。
1.4、芯片供電電源濾波電容接地設(shè)計(jì):
芯片集成度越高,功能越強(qiáng)大,供電電源設(shè)計(jì)就越復(fù)雜,芯片電源設(shè)計(jì)的可靠性決定系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。芯片供電電源的濾波與退耦設(shè)計(jì)是影響輻射發(fā)射的重要因素之一,供電電源電壓的穩(wěn)定性是導(dǎo)致 ESD 問(wèn)題的重要因素之一。
針對(duì)芯片供電電源濾波電容與退耦電容的接地設(shè)計(jì),應(yīng)遵循如下設(shè)計(jì)規(guī)則:
芯片濾波電容接地端應(yīng)直接過(guò)孔接參考地平面,避免接端子信號(hào)兩側(cè)包地線(xiàn)(雙層板)防止信號(hào)包地線(xiàn)電位波動(dòng),芯片供電電壓隨之波動(dòng),導(dǎo)致芯片因欠壓工作異常。
芯片供電電源應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離外部靜電放電測(cè)試的端子,濾波電容接地端也應(yīng)避免接靜電放電測(cè)試端子外殼的頂層接地,避免靜電放電過(guò)程中地電位波動(dòng),芯片供電電壓隨之波動(dòng),導(dǎo)致芯片因欠壓工作異常。(也避免芯片電源噪聲通過(guò)端子連接線(xiàn)向外輻射)
芯片濾波電容接地端應(yīng)直接過(guò)孔接參考地平面,避免接內(nèi)部互聯(lián)插座信號(hào)兩側(cè)包地線(xiàn) (雙層板),尤其是直接接內(nèi)部互聯(lián)接座的接地引腳,防止芯片電源噪聲通過(guò)濾波電容耦合到內(nèi)部互聯(lián)線(xiàn),借助線(xiàn)纜向外輻射。
芯片不同模塊供電電源濾波電容接地端,要采用單獨(dú)過(guò)孔到參考地平面接地,避免不同電源濾波電容共用地過(guò)孔接地的情況,防止共用過(guò)孔產(chǎn)生的電源噪聲串?dāng)_問(wèn)題。
芯片供電電源濾波接地設(shè)計(jì)小結(jié):
芯片供電電源濾波電容接地設(shè)計(jì)除遵循以上常規(guī)約束之外,還應(yīng)該避免出現(xiàn)濾波電容通過(guò)較長(zhǎng)PCB布線(xiàn)接參考地平面的情況;以及芯片不同模塊供電電源濾波電容濾波后形成 的高頻環(huán)路耦合。
1.5、外部端子連接器接地設(shè)計(jì)
外部端子連接器是靜電放電的測(cè)試點(diǎn),同時(shí)也是輻射測(cè)試的主要目標(biāo)。因此外部端子連接器的接地設(shè)計(jì),決定 ESD 測(cè)試和輻射測(cè)試是否順利通過(guò)的重要支撐點(diǎn)。
對(duì)于外部端子連接器的接地設(shè)計(jì),應(yīng)遵循如下設(shè)計(jì)規(guī)則:
外部端子金屬外殼接地引腳在頂層接地與芯片濾波接地進(jìn)行分隔,芯片濾波電容接地端單獨(dú)過(guò)孔到底層地平面接地。
當(dāng)信號(hào)布線(xiàn)在頂層穿過(guò)外部端子下方時(shí),外部端子頂層接地與信號(hào)布線(xiàn)間距應(yīng)≧30mil,防止靜電放電干擾在頂層耦合到信號(hào)布線(xiàn)上,造成 ESD 問(wèn)題。
外部端子內(nèi)部信號(hào)地與外部端子外殼接地進(jìn)行在頂層進(jìn)行分隔,防止靜電放電過(guò)程造成信號(hào)地波動(dòng),造成信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。
外部端子信號(hào)脫錫焊盤(pán)尖峰避免正對(duì)外部端子接地,防止靜電放電時(shí)地平面與信號(hào)之間產(chǎn)生尖峰放電,導(dǎo)致 ESD 問(wèn)題。
當(dāng)直通芯片或者芯片電源布線(xiàn)靠近外部端子布線(xiàn)時(shí),外部端子地平面與直通芯片布線(xiàn)應(yīng)保持≧30mil 的間距,防止靜電放電問(wèn)題。
1.6、信號(hào)包地線(xiàn)的接地設(shè)計(jì)
信號(hào)兩側(cè)包地線(xiàn)在雙層板設(shè)計(jì)中,主要被應(yīng)用于為信號(hào)提供回流路徑,以及用于隔離信號(hào)之間的串?dāng)_。在多層板設(shè)計(jì)中,主要被運(yùn)用于隔離信號(hào)之間的串?dāng)_,或者為跨分隔的信號(hào)提供回流橋接?;诎鼐€(xiàn)的功能用途,結(jié)合抗擾度測(cè)試及輻射發(fā)射測(cè)試的需要,包地線(xiàn)的接地設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下規(guī)則:
? 信號(hào)包地線(xiàn)應(yīng)禁止與外部端子的接地引腳(尤其是測(cè)試空氣放電的引腳)在頂層直接連接,以防止靜電放電干擾沿接地引腳到包地線(xiàn),干擾到包地線(xiàn)兩側(cè)的敏感信號(hào)。
? 作為信號(hào)回流路徑的包地線(xiàn),應(yīng)完整的伴隨信號(hào)布線(xiàn)從源端到接收端,防止因包地線(xiàn)不完整而導(dǎo)致信號(hào)回流面積較大,導(dǎo)致的嚴(yán)重的輻射問(wèn)題。
? 為敏感信號(hào)或者強(qiáng)干擾信號(hào)提供屏蔽的包地線(xiàn),應(yīng)保持整個(gè)線(xiàn)跡軌跡與參考地平面的等電位,防止因包地線(xiàn)阻抗較高(高頻狀態(tài)下)導(dǎo)致的隔離效果較差,甚至發(fā)生串?dāng)_。
? 作為信號(hào)回流路徑的包地線(xiàn),當(dāng)出現(xiàn)跨分隔時(shí),應(yīng)使跨分隔前后的包地線(xiàn)與參考地平面保持等電位,防止因地電位差產(chǎn)生共模電流,導(dǎo)致嚴(yán)重輻射問(wèn)題。 1.7、PCB 參考地平面的分隔設(shè)計(jì)
我們知道完整的參考地平面,可以為信號(hào)回流提供低阻抗路徑。前面我們也提到不同信號(hào)共用回流路徑時(shí),較容易發(fā)生共地環(huán)路干擾。在PCB面積受限的情況下,我們通常會(huì) 采用參考地平面分隔的方式,解決不同信號(hào)之間共地環(huán)路干擾問(wèn)題。對(duì)于參考地平面的分隔,應(yīng)該遵循的原則是能完整就不分隔,強(qiáng)弱信號(hào)回流路徑分隔,分隔兼顧靜電電流泄放路徑。
1.8、PCB 螺絲孔的接地設(shè)計(jì)
PCB接地螺絲孔主要作用是PCB板與金屬背板之間建立等電位體,縮小高頻環(huán)路面積,減小地平面噪聲電流,切斷噪聲耦合路徑。二是為靜電電流提供低阻抗泄放路徑,進(jìn)行靜電電流分流,減小PCB板上元件、信號(hào)的靜電放電干擾。
接地螺絲孔數(shù)量的設(shè)置、擺放位置、接地螺絲孔的焊盤(pán)設(shè)計(jì),是決定接地螺絲孔是否能夠達(dá)到接地阻抗最小化設(shè)計(jì)的主要因素,所以在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。
螺絲孔可靠性接地設(shè)計(jì)案例分析:
由于接地螺絲是通過(guò)AC插座塑膠孔鎖附于屏金屬背板,屏金屬背板凸包與板卡接地螺絲孔的接觸面積較小,高頻下接地阻抗較大,Y電容接地不良,輻射測(cè)試嚴(yán)重超標(biāo)。
螺絲孔可靠性接地設(shè)計(jì)案例(三):
螺絲孔可靠性接地設(shè)計(jì)案例分析:
由于整機(jī)板卡鎖附方式的多樣性,接地螺絲孔設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際整機(jī)的生產(chǎn)鎖附方式,選擇恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞?,達(dá)到靜電電流分流與縮小高頻環(huán)路面積的目的即可。
二、屏蔽的接地設(shè)計(jì)
2.1、屏蔽的定義
屏蔽就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮?、殼、板等結(jié)構(gòu)形式,將電磁干擾場(chǎng)限制在一定的空間范圍內(nèi),使干擾場(chǎng)經(jīng)過(guò)屏蔽體時(shí)受到很大的衰減,從而抑制電磁干擾源對(duì)相關(guān)設(shè)備或空間的干擾。
屏蔽是抑制電磁干擾源的有力措施之一。從屏蔽的側(cè)重范圍分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽、電磁場(chǎng)屏蔽三種。電場(chǎng)屏蔽:即對(duì)靜電場(chǎng)或交變電場(chǎng)的屏蔽,防止或抑制寄生電容耦合,隔離靜電場(chǎng)或交變電場(chǎng)干擾。磁場(chǎng)屏蔽:用于防止磁感應(yīng),抑制寄生電感耦合,隔離磁場(chǎng)干擾。電磁場(chǎng)屏蔽:用于防止和抑制高頻電磁場(chǎng)(電磁波)的屏蔽。
屏蔽體設(shè)計(jì)的性能通過(guò)屏蔽效能(SE)指標(biāo)反應(yīng)。屏蔽效能即屏蔽前后空間某點(diǎn)的電(磁)場(chǎng)強(qiáng)度之比,常用分貝來(lái)表示。
SE=20lgE1/E2 dB
2.2、電場(chǎng)屏蔽與接地設(shè)計(jì)
從場(chǎng)的觀點(diǎn)看,電場(chǎng)屏蔽實(shí)質(zhì)是干擾源發(fā)出的電力線(xiàn)被終止于屏蔽體內(nèi),切斷干擾源的耦合路徑或者與敏感設(shè)備的聯(lián)系。從電路的觀點(diǎn)看,屏蔽體起著避免或減少干擾源與敏感設(shè)備之間的分布電容的耦合
電場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)原則:
電場(chǎng)屏蔽可使用任何金屬,對(duì)金屬的厚度沒(méi)有嚴(yán)格要求,只要有足夠的強(qiáng)度即可以。屏蔽體要盡量靠近需要屏蔽的電路、元件,PCB 布線(xiàn),屏蔽體要采用良好的接地。
屏蔽效果的好壞與屏蔽體的形狀有最直接的關(guān)系,屏蔽體如果能夠做成全封閉的金屬盒最好,但在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體的情況而定。
對(duì)于低頻電場(chǎng)屏蔽通常采用單點(diǎn)接地就可以了,例如開(kāi)關(guān)變壓器、PFC 電感等。而高頻電場(chǎng)屏蔽就需要保證接地點(diǎn)的低阻抗,通常采用多點(diǎn)接地,例如:主芯片散熱片的屏蔽,
硅高頻頭芯片的屏蔽等。多點(diǎn)接地可以減小接地阻抗,使屏蔽體與地之間形成等電位體。
2.3、磁場(chǎng)屏蔽
磁場(chǎng)屏蔽可分低頻磁場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽兩類(lèi)。任何載流導(dǎo)體或線(xiàn)圈周?chē)紩?huì)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)隨導(dǎo)體電流的變化而變化,這種變化的磁場(chǎng)常對(duì)周?chē)碾娮泳€(xiàn)路或敏感器件造成干擾,強(qiáng)信號(hào)環(huán)路易形成磁場(chǎng)輻射,弱信號(hào)環(huán)路易受周?chē)蛔兇艌?chǎng)的干擾。
2.3.1、低頻磁場(chǎng)的屏蔽原理:
利用鐵氧體材料、坡莫合金、硅鋼片的高磁導(dǎo)率特性對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行磁場(chǎng)分流。磁導(dǎo)率越大、磁阻就越小,磁通主要選擇通過(guò)高磁導(dǎo)率材料。如果磁場(chǎng)中存在高磁導(dǎo)率的磁場(chǎng)通路,則磁通相對(duì)通過(guò)周?chē)諝獾牟糠志痛鬄闇p小,使得周?chē)臻g的磁場(chǎng)干擾也同時(shí)大為減小,客觀上起到了磁場(chǎng)屏蔽作用。
低頻磁場(chǎng)屏蔽示意圖
2.3.2、高頻磁場(chǎng)的屏蔽原理:
高頻磁場(chǎng)屏蔽的原理:是屏蔽體利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的渦流反磁場(chǎng)對(duì)原干擾磁場(chǎng)的排斥作用來(lái)達(dá)到屏蔽目的。屏蔽材料采用是低電阻率的良好導(dǎo)體,如銅、銅鍍銀等。
由法拉第電磁感應(yīng)定律,閉合回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于穿過(guò)該回路磁通量的變化率。感應(yīng)電勢(shì)伴生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通要阻礙原來(lái)磁通的變化,與原來(lái)的磁通方向相反,即反磁場(chǎng)。
高頻磁場(chǎng)屏蔽示意圖
磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)原則:
對(duì)于低頻磁場(chǎng)屏蔽采用高磁導(dǎo)率材料的選擇非常重要,磁導(dǎo)率會(huì)隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí),磁導(dǎo)率會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而升高,而當(dāng)外加的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某限值時(shí),磁導(dǎo)率就會(huì)急劇下降,此時(shí)磁導(dǎo)材料發(fā)生了磁飽和,也意味著該材料同時(shí)失去了磁屏蔽性能。磁導(dǎo)率越高,越容易飽和,所以選擇具有足夠磁導(dǎo)率和飽和特性的磁導(dǎo)材料是低頻磁場(chǎng)屏蔽的關(guān)鍵。高頻磁場(chǎng)的屏蔽材料需要用良導(dǎo)體,以減小渦流阻抗,減小發(fā)熱和損耗。同時(shí),要盡量避免在垂直于渦流的方向上有縫隙,以免阻礙渦流電流的流動(dòng),影響屏蔽效能。由于高頻電流的集膚效應(yīng),高頻屏蔽盒無(wú)需太厚。
此外,屏蔽體是否接地不影響屏蔽效果,但由于電場(chǎng)屏蔽必須接地,故若將屏蔽體接地,就同時(shí)具有了電場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽的雙重作用。
2.4、電磁場(chǎng)屏蔽
電磁場(chǎng)屏蔽分為近場(chǎng)屏蔽和遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽。對(duì)于近場(chǎng),若輻射源為高電壓小電流,主要考慮的是電場(chǎng)干擾;若輻射源為低電壓大電流,主要考慮磁場(chǎng)干擾。在遠(yuǎn)場(chǎng)中,電場(chǎng)與磁場(chǎng)方向相互垂直,但相位相同,以電磁波的形式在空間向四方輻射能量。電磁波屏蔽主要是:利用電磁波通過(guò)金屬等屏蔽材料時(shí)產(chǎn)生的入射損耗和反射損耗,來(lái)衰減電磁波的能量。低頻電磁波的大量衰減有賴(lài)于反射損耗,而高頻時(shí)的衰減則主要是吸收損耗的作用。屏蔽材料的選擇對(duì)電磁場(chǎng)屏蔽效能的影響非常重要,有些金屬對(duì)電磁波的吸收損耗很大,如鎳鋼合金、坡莫合金,但均價(jià)格昂貴。用任何金屬,金屬網(wǎng)與金屬板相比,屏蔽效能差很多,在高頻時(shí)更為明顯。當(dāng)需要采用金屬網(wǎng)屏蔽時(shí),常采用雙層或多層金屬網(wǎng)屏蔽方式。