电源地回路最短实测 不走弯路接地指南

我亲自测试了某有着六层结构的工控板电源层设计, 踩过了因地面回路过长引发的EMI超标以及信号串扰的坑, 新手依据下面的步骤一步步去操作, 便能够轻松躲开这类常见问题。

关键第一步 确定最短回流路径

操作的路径为, 先是打开PCB设计软件, 这里以Altium Designer作为例子, 然后进入层堆栈管理器, 接着去选择电源层或者地层。再手动把电源输出引脚的地过孔, 紧紧挨着滤波电容的地焊盘来放置, 其间距要控制在5到10mil以内。重要的参数方面, 对于地回路的走线宽度, 设定为40mil, 其铜厚为1oz, 以此来保证达成低阻抗的状态。

新手需规避的状况里, 常见的报错呈现为回流路径迂回曲折, 致使高频噪声没办法很迅速地返程至源端。其核心缘由在于过孔被分散开来进行放置, 倘若你去测量一次地和源引脚之间的间距, 一旦超出了50mil便会产生问题。获得快速解决的办法是, 将所有的地过孔全都集中放置在电源入口电容的下方位置, 把间距压缩到10mil以内。

方案对比 单点接地vs多点接地

在这里给出了两组实操方案的对比, 方案A属于单点接地, 即把所有模块的地线都汇集到一个公共的点上, 该方案适合低频模拟电路, 比如说音频放大电路, 其好处在于能够避免地环路干扰, 然而缺点是在高频情况下阻抗会急剧飙升。方案B是多点接地, 也就是每个模块都直接在就近的位置接到地平面, 此方案适合数字电路以及开关电源, 就像你手上拿着的DC-DC变换器。

取舍的逻辑是十分直白的, 工作的频率要是低于1MHz的话, 那么就采用单点, 要是高于1MHz的话那就使用多点。混合信号板是需要进行分区处理的, 模拟区域采用单点, 数字区域采用多点, 中间是要用磁珠或者0欧电阻来隔开的。我亲自实测过一块混合板, 在使用方案B之后, 地回路的长度从1200mil缩减到了300mil, EMI下降了12dB。

【新手需防】还有一种高频出现错误的情况, 乃是接地的平面被划分成了多个小小的块。之所以会出现错误, 是因为在进行走线操作的时候, 随意地打了些过孔, 进而将地层给挖断了。能够迅速解决的办法是, 在开始走线之前, 先对地面平面的完整性作出规划, 要保证每一个关键信号的下方都存在连续不断的地回路, 切不要让电源层抑或是信号层将地层给切碎了。

完整报错处理 地回路过长导致电源纹波超标

高频时出现完整错误报警: 运用示波器去对电源输出的纹波进行测量, 结果发现有着100mVpp的噪声, 该噪声远远超过了设计规定的指标20mVpp。经过仔细检查, 地回路的路径通过了三层板的区域, 并且绕行的长度达到了1500mil, 从而致使寄生电感变得过大。用于实现一站式解决的流程: 首先, 针对第一步而言, 要在原理图里, 于电源输出端添加10μF与0.1μF的去耦电容, 并且需紧贴芯片引脚进行放置；接着, 就第二步来讲, 在PCB布局时, 要将电容地焊盘直接连接至芯片地焊盘, 其走线宽度要在30mil以内, 长度也要处于50mil以内；最后, 到第三步, 需再次打过孔, 会在电容下方打出4个地过孔, 其孔径为0.3mm, 以此来形成低阻抗返回路径。实测纹波降到15mVpp。

【新手需规避的问题】这一步容易被忽视的情况是, 去耦电容的数值被选错, 不要使用单个电容, 如果使用, 我有这样的建议, 选择10μF的电解电容加上0.1μF的陶瓷电容进行并联操作, 这样做是为了覆盖低频以及高频噪声。对于电解电容的耐压值,要选择两倍的实际电压那么大的值, 例如实际电压是5V, 那么就得选用10V档的。

上述一些方法是依据标准多层板来进行设计的, 它并不适用于单层板或者双面板, 原因在于缺少完整的平面, 而替代的方案是把地线加粗到80mil以上, 并且采用星形接地拓扑来手动缩短电路路径。对于超过1GHz的超高频射频的电路而言, 地回路的设计还需要去考虑微带线的特征阻抗匹配情况, 是不能够简单地去使用的。