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PCB 接地設(shè)計
優(yōu)秀的PCB設(shè)計，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。
根據(jù)信號類別，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)計時如何減少地阻抗，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回流路徑面積最小化，接下來我們逐一分析舉例。
一、如何通過 PCB 接地設(shè)計實現(xiàn)環(huán)路面積最小化
當(dāng)信號的頻率很低時，信號的回流主要沿最低電阻路徑，即幾何最短路徑。當(dāng)信號達(dá)到一定頻率（F≥1MHz）時，信號的回流主要集中沿最低電感路徑，返回電流主要沿印制線 下方回流，圖中的虛線表示信號的回流。
當(dāng)信號速率較高時，無論信號緊靠的是電源平面還是地參考平面，信號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，它會向外進(jìn)行電磁場輻射（屬于差模輻射方式）。輻射的電磁場強(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 上的信號回路（小回路天線）也會接收周圍快速變化的電磁場，而產(chǎn)生干擾電流。
當(dāng)出入 PCB 的電纜上存在共模電流時，會產(chǎn)生共模輻射。輻射的電場強(qiáng)度與共模電流的大小、共模電流的頻率、線的長度成正比。同時，它也會對 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
信號環(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)計就是利用磁通對消的原理，抑制空間電磁場的發(fā)射。PCB電流環(huán)路面積最小化設(shè)計，首先是識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。
Buck DC-DC 電流環(huán)路面積 PCB 最小化設(shè)計舉例： ? ?
通用 Buck DC-DC 電路設(shè)計
第一步：識別干擾源的電流環(huán)路：
通過分析可知，Buck DC-DC主要電流環(huán)路為開通環(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
對于開通環(huán)路來說，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。而對于續(xù)流環(huán)路來說，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。通過以上方式進(jìn)行PCB設(shè)計，方可以實現(xiàn)輸入輸出 高頻環(huán)路面積的最小化。
第三步：如何實現(xiàn) PCB 電流環(huán)路面積最小化設(shè)計
備注：??雙層板設(shè)計時，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、信號回流路徑的 PCB 設(shè)計
多層板PCB設(shè)計，信號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，信號回流路徑即可以選擇沿最下方參考平面返回，又可以選擇信號兩側(cè)地線做電流返回路徑；單面板PCB設(shè)計，信號優(yōu)選兩側(cè)包地線返回，也可以通過寄生電容沿附近的金屬平面返回。
多層板信號返回路徑 PCB 設(shè)計 ? ?
多層板PCB設(shè)計時，信號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。PCB設(shè)計過程中，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)計時，當(dāng)信號下方參考平面跨分隔不可避免出現(xiàn)時，可在信號布線兩側(cè)增加伴隨地線，為信號提供回流路徑。也可以在參考平面跨分隔的邊緣，通過耦合電容的方式進(jìn)行橋接。? ??
多層板PCB設(shè)計時，信號有時不可避免的需要換層，同時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，只需要在信號換層過孔兩側(cè)增加地過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），則需要在信號換層過孔兩側(cè)增加橋接電容連接兩個不同屬性的參考平面，例如上圖。
雙層板信號返回路徑 PCB 設(shè)計：
雙層板PCB設(shè)計時，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提供回流路徑。故雙層板PCB設(shè)計時，通常會選擇信號兩側(cè)的地線作為回流路徑。此設(shè)計方式要注意兩側(cè)包地線與參考地平面之間的等位問題，包地線與參考地平面之間存在電位差時，則會產(chǎn)生新的共模電流干擾，導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射發(fā)射問題。
選擇信號兩側(cè)包地線作為信號返回路徑時，還注意包地線從源端到SINK端的完整性， 當(dāng)信號底層出現(xiàn)嚴(yán)重的跨分隔時，需保證跨分隔前后地線、跨分隔部分地線與參考地平面的等電位。? ??
芯片集成度越高，功能越強(qiáng)大，供電電源設(shè)計就越復(fù)雜，芯片電源設(shè)計的可靠性決定系統(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 問題的重要因素之一。
針對芯片供電電源濾波電容與退耦電容的接地設(shè)計，應(yīng)遵循如下設(shè)計規(guī)則：
芯片濾波電容接地端應(yīng)直接過孔接參考地平面，避免接端子信號兩側(cè)包地線（雙層板）防止信號包地線電位波動，芯片供電電壓隨之波動，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)離外部靜電放電測試的端子，濾波電容接地端也應(yīng)避免接靜電放電測試端子外殼的頂層接地，避免靜電放電過程中地電位波動，芯片供電電壓隨之波動，導(dǎo)致芯片因欠壓工作異常。（也避免芯片電源噪聲通過端子連接線向外輻射）
芯片濾波電容接地端應(yīng)直接過孔接參考地平面，避免接內(nèi)部互聯(lián)插座信號兩側(cè)包地線 （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濾波電容耦合到內(nèi)部互聯(lián)線，借助線纜向外輻射。
芯片不同模塊供電電源濾波電容接地端，要采用單獨過孔到參考地平面接地，避免不同電源濾波電容共用地過孔接地的情況，防止共用過孔產(chǎn)生的電源噪聲串?dāng)_問題。
芯片供電電源濾波接地設(shè)計小結(jié)：
芯片供電電源濾波電容接地設(shè)計除遵循以上常規(guī)約束之外，還應(yīng)該避免出現(xiàn)濾波電容通過較長PCB布線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
外部端子連接器是靜電放電的測試點，同時也是輻射測試的主要目標(biāo)。因此外部端子連接器的接地設(shè)計,決定 ESD 測試和輻射測試是否順利通過的重要支撐點。
對于外部端子連接器的接地設(shè)計，應(yīng)遵循如下設(shè)計規(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過孔到底層地平面接地。
當(dāng)信號布線在頂層穿過外部端子下方時，外部端子頂層接地與信號布線間距應(yīng)≧30mil，防止靜電放電干擾在頂層耦合到信號布線上，造成 ESD 問題。
外部端子內(nèi)部信號地與外部端子外殼接地進(jìn)行在頂層進(jìn)行分隔，防止靜電放電過程造成信號地波動，造成信號傳輸錯誤。
外部端子信號脫錫焊盤尖峰避免正對外部端子接地，防止靜電放電時地平面與信號之間產(chǎn)生尖峰放電，導(dǎo)致 ESD 問題。
當(dāng)直通芯片或者芯片電源布線靠近外部端子布線時，外部端子地平面與直通芯片布線應(yīng)保持≧30mil 的間距，防止靜電放電問題。 ?
1.6、信號包地線的接地設(shè)計
信號兩側(cè)包地線在雙層板設(shè)計中，主要被應(yīng)用于為信號提供回流路徑，以及用于隔離信號之間的串?dāng)_。在多層板設(shè)計中，主要被運用于隔離信號之間的串?dāng)_，或者為跨分隔的信號提供回流橋接。基于包地線的功能用途，結(jié)合抗擾度測試及輻射發(fā)射測試的需要，包地線的接地設(shè)計應(yīng)遵循如下規(guī)則：
? 信號包地線應(yīng)禁止與外部端子的接地引腳（尤其是測試空氣放電的引腳）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，干擾到包地線兩側(cè)的敏感信號。
? 作為信號回流路徑的包地線，應(yīng)完整的伴隨信號布線從源端到接收端，防止因包地線不完整而導(dǎo)致信號回流面積較大，導(dǎo)致的嚴(yán)重的輻射問題。
? 為敏感信號或者強(qiáng)干擾信號提供屏蔽的包地線，應(yīng)保持整個線跡軌跡與參考地平面的等電位，防止因包地線阻抗較高（高頻狀態(tài)下）導(dǎo)致的隔離效果較差，甚至發(fā)生串?dāng)_。
? 作為信號回流路徑的包地線，當(dāng)出現(xiàn)跨分隔時，應(yīng)使跨分隔前后的包地線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)重輻射問題。?1.7、PCB 參考地平面的分隔設(shè)計
我們知道完整的參考地平面，可以為信號回流提供低阻抗路徑。前面我們也提到不同信號共用回流路徑時，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 采用參考地平面分隔的方式，解決不同信號之間共地環(huán)路干擾問題。對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
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、接地螺絲孔的焊盤設(shè)計，是決定接地螺絲孔是否能夠達(dá)到接地阻抗最小化設(shè)計的主要因素，所以在PCB設(shè)計時應(yīng)給予重點關(guān)注。
螺絲孔可靠性接地設(shè)計案例分析：
由于接地螺絲是通過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，輻射測試嚴(yán)重超標(biāo)。? ? ? ??
螺絲孔可靠性接地設(shè)計案例（三）： ? ?
螺絲孔可靠性接地設(shè)計案例分析：
由于整機(jī)板卡鎖附方式的多樣性，接地螺絲孔設(shè)計應(yīng)根據(jù)實際整機(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 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，將電磁干擾場限制在一定的空間范圍內(nèi)，使干擾場經(jīng)過屏蔽體時受到很大的衰減，從而抑制電磁干擾源對相關(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)重范圍分為電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽三種。電場屏蔽：即對靜電場或交變電場的屏蔽，防止或抑制寄生電容耦合，隔離靜電場或交變電場干擾。磁場屏蔽：用于防止磁感應(yīng)，抑制寄生電感耦合，隔離磁場干擾。電磁場屏蔽：用于防止和抑制高頻電磁場（電磁波）的屏蔽。
屏蔽體設(shè)計的性能通過屏蔽效能(SE)指標(biāo)反應(yīng)。屏蔽效能即屏蔽前后空間某點的電（磁）場強(qiáng)度之比，常用分貝來表示。
SE=20lgE1/E2 dB
2.2、電場屏蔽與接地設(shè)計 ? ?
從場的觀點看，電場屏蔽實質(zhì)是干擾源發(fā)出的電力線被終止于屏蔽體內(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
電場屏蔽的設(shè)計原則：
電場屏蔽可使用任何金屬，對金屬的厚度沒有嚴(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，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，但在實際應(yīng)用中要根據(jù)具體的情況而定。
對于低頻電場屏蔽通常采用單點接地就可以了，例如開關(guān)變壓器、PFC 電感等。而高頻電場屏蔽就需要保證接地點的低阻抗，通常采用多點接地，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、磁場屏蔽
磁場屏蔽可分低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽兩類。任何載流導(dǎo)體或線圈周圍都會生磁場，磁場隨導(dǎo)體電流的變化而變化，這種變化的磁場常對周圍的電子線路或敏感器件造成干擾，強(qiáng)信號環(huán)路易形成磁場輻射，弱信號環(huán)路易受周圍交變磁場的干擾。
2.3.1、低頻磁場的屏蔽原理： ? ?
利用鐵氧體材料、坡莫合金、硅鋼片的高磁導(dǎo)率特性對干擾磁場進(jìn)行磁場分流。磁導(dǎo)率越大、磁阻就越小，磁通主要選擇通過高磁導(dǎo)率材料。如果磁場中存在高磁導(dǎo)率的磁場通路，則磁通相對通過周圍空氣的部分就大為減小，使得周圍空間的磁場干擾也同時大為減小，客觀上起到了磁場屏蔽作用。
低頻磁場屏蔽示意圖
2.3.2、高頻磁場的屏蔽原理：
高頻磁場屏蔽的原理：是屏蔽體利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的渦流反磁場對原干擾磁場的排斥作用來達(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)電動勢等于穿過該回路磁通量的變化率。感應(yīng)電勢伴生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通要阻礙原來磁通的變化，與原來的磁通方向相反，即反磁場。
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高頻磁場屏蔽示意圖
磁場屏蔽的設(shè)計原則：
對于低頻磁場屏蔽采用高磁導(dǎo)率材料的選擇非常重要，磁導(dǎo)率會隨外界磁場強(qiáng)度的變化而變。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度較低時，磁導(dǎo)率會隨磁場強(qiáng)度的增加而升高，而當(dāng)外加的磁場強(qiáng)度超過某限值時，磁導(dǎo)率就會急劇下降，此時磁導(dǎo)材料發(fā)生了磁飽和，也意味著該材料同時失去了磁屏蔽性能。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)材料是低頻磁場屏蔽的關(guān)鍵。高頻磁場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，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，影響屏蔽效能。由于高頻電流的集膚效應(yīng)，高頻屏蔽盒無需太厚。
此外，屏蔽體是否接地不影響屏蔽效果，但由于電場屏蔽必須接地，故若將屏蔽體接地，就同時具有了電場屏蔽和高頻磁場屏蔽的雙重作用。
2.4、電磁場屏蔽
電磁場屏蔽分為近場屏蔽和遠(yuǎn)場屏蔽。對于近場，若輻射源為高電壓小電流，主要考慮的是電場干擾；若輻射源為低電壓大電流，主要考慮磁場干擾。在遠(yuǎn)場中，電場與磁場方向相互垂直，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：利用電磁波通過金屬等屏蔽材料時產(chǎn)生的入射損耗和反射損耗，來衰減電磁波的能量。低頻電磁波的大量衰減有賴于反射損耗，而高頻時的衰減則主要是吸收損耗的作用。屏蔽材料的選擇對電磁場屏蔽效能的影響非常重要，有些金屬對電磁波的吸收損耗很大，如鎳鋼合金、坡莫合金，但均價格昂貴。用任何金屬，金屬網(wǎng)與金屬板相比，屏蔽效能差很多，在高頻時更為明顯。當(dāng)需要采用金屬網(wǎng)屏蔽時，常采用雙層或多層金屬網(wǎng)屏蔽方式。?
審核編輯：黃飛
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