【硬見小百科】pcb的地線,電源線,信號(hào)線

一、布線的總原則：

(1)按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置 ， 使布局便于信號(hào)流通 ， 并使信號(hào)盡可能保持一致的方向 。
(2)以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在 PCB 上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接 。
(3)在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀 。而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn) 。
(4)位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于 2mm 。電路板的最佳形狀為矩形。長寬比為 3:2 成 4:3.電路板面尺寸大于200×150mm 時(shí)。應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度 。
(5)電源線與地線（或者中性線）要按照“井”字形布線。
二、導(dǎo)線寬度與間距的選擇與確定：
根據(jù)印制電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。
印制導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基扳間的粘附強(qiáng)度和流過它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為 0.05mm，寬度為 1~ 1.5mm 時(shí)。通過 2A 的電流，溫度不會(huì)高于 3 ℃ ，導(dǎo)線寬度為 1.5mm 可滿足要求。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選 0.02~0.3mm 導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線．尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，導(dǎo)線可使間距小至 5~8mm。
線寬太小,則印刷導(dǎo)線電阻大,線上的電壓降也就大,影響電路的性能,線寬太寬,則布線密度不高,板面積增加,除了增加成本外,也不利于小型化.
地線，電源線，信號(hào)線之間的關(guān)系：
地線＞電源線＞信號(hào)線，通常信號(hào)線寬為：0.2～0.3mm,最細(xì)寬度可達(dá)0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5 mm 。
但是對大電流的話，如果電流負(fù)荷以20A/平方毫米計(jì)算,當(dāng)覆銅箔厚度為0.5MM時(shí),(一般為這么多,)則1MM(約40MIL)線寬的電流負(fù)荷為1A,因此,線寬取1--2.54MM(40--100MIL)能滿足一般的應(yīng)用要求,大功率設(shè)備板上的地線和電源,根據(jù)功率大小,可適當(dāng)增加線寬,而在小功率的數(shù)字電路上,為了提高布線密度,最小線寬取0.254--1.27MM(10--15MIL)就能滿足.
同一電路板中,電源線.地線比信號(hào)線粗.
按上面所說的計(jì)算，可以算出20A的電流要20MM
這是由于當(dāng)電流密度確定后，線路的截面積必須與通過的電流成正比。當(dāng)流通的電流過大時(shí)，線路將發(fā)熱而縮短壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響周邊元器件的的穩(wěn)定性，或者被燒斷。
地線，電源線，信號(hào)線之間的關(guān)系：
地線一般在1.5～3mm。對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路, 即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來使用(模擬電路的地不能這樣使用) 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。
（1）、高低壓電源線之間的布線
在印制線路板上同時(shí)有高壓電路和低壓電路，高壓電路部分的元器件與低壓部分要分隔開放置，隔離距離與要承受的耐壓有關(guān)，通常情況下在2000V時(shí)板上要距離20mm，在此之上以比例算還要加大，例如若要承受3000V的耐壓測試，則高低壓線路之間的距離應(yīng)在35mm以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線路板上的高低壓之間開槽。我們做的電路板也有高低壓電路，把高低壓之間的電路間距用了10mm。
（2）、導(dǎo)線之間的間距
相鄰導(dǎo)線間距必須能滿足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應(yīng)盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓。這個(gè)電壓一般包括工作電壓、附加波動(dòng)電壓以及其它原因引起的峰值電壓。如果有關(guān)技術(shù)條件允許導(dǎo)線之間存在某種程度的金屬殘粒，則其間距就會(huì)減小。因此設(shè)計(jì)者在考慮電壓時(shí)應(yīng)把這種因素考慮進(jìn)去。在布線密度較低時(shí)，信號(hào)線的間距可適當(dāng)?shù)丶哟?，對高、低電平懸殊的信?hào)線應(yīng)盡可能地短且加大間距。
（3）、地線的走線
印制導(dǎo)線的屏蔽與接地：印制導(dǎo)線的公共地線，應(yīng)盡量布置在印制線路板的邊緣部分。在印制線路板上應(yīng)盡可能多地保留銅箔做地線，這樣得到的屏蔽效果，比一長條地線要好，傳輸線特性和屏蔽作用將得到改善，另外起到了減小分布電容的作用。印制導(dǎo)線的公共地線最好形成環(huán)路或網(wǎng)狀，這是因?yàn)楫?dāng)在同一塊板上有許多集成電路，特別是有耗電多的元件時(shí)，由于圖形上的限制產(chǎn)生了接地電位差，從而引起噪聲容限的降低，當(dāng)做成回路時(shí)，接地電位差減小。另外，接地和電源的圖形盡可能要與數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向平行，這是抑制噪聲能力增強(qiáng)的秘訣；多層印制線路板可采取其中若干層作屏蔽層，電源層、地線層均可視為屏蔽層，一般地線層和電源層設(shè)計(jì)在多層印制線路板的內(nèi)層，信號(hào)線設(shè)計(jì)在內(nèi)層和外層。
（4）、信號(hào)線
首先信號(hào)線要盡量的短，這個(gè)基本準(zhǔn)則將降低無關(guān)信號(hào)耦合到信號(hào)路徑的可能性。一般標(biāo)準(zhǔn)元器件兩腿之間的距離為0.1英寸(2.54mm),所以信號(hào)線系統(tǒng)的基礎(chǔ)一般就定為0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍數(shù)，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。
（5）、接地方式
A）. 串聯(lián)單點(diǎn)接地是指各個(gè)單元電路的接地線串聯(lián)后連向接地點(diǎn)，串聯(lián)單點(diǎn)接地的方式如圖2（a）所示，接地點(diǎn)由工作地線串聯(lián)起來，然后接地，圖2（b）則為其相對應(yīng)的等效電路圖
由以上三式可知A，B，C點(diǎn)的電位并不為零，且受其他電路電流的影響。從防止噪聲和抑制干擾的角度出發(fā)，這種接地方式是最不適用的。雖然這種接地方式很不合理．但由于比較簡單，采用這種接地方式的地方仍然很多，當(dāng)各電路的電平相差不大時(shí)可以便用。在各電路的電平相差很大時(shí)，就不能使用，因?yàn)楦唠娖诫娐穼?huì)產(chǎn)生根大的地電流，形成很大的地電位差并干擾到低電平電路中去。
串聯(lián)單點(diǎn)接地因各單元共用一條地線，易引起公共地阻干擾。如圖三（a）所示．因中印制電路板上單元電路A是低電平模擬放大器，單元電路B是數(shù)字電路集成芯片，兩者接地點(diǎn)串聯(lián)后引出印制電路板外接地。而Z1，Z2是相應(yīng)各段地線的阻抗。工作地線在這里既做電源的回流線又做信號(hào)的回流線，數(shù)字電路單元B的電源回流含有高頻成分， 在地線阻抗z1上的壓降將與輸入模擬信號(hào)疊加，加到低電平模擬放大器上，從而產(chǎn)生了共在阻抗干擾。
a）中所示電路的共地阻抗干擾，可以對此進(jìn)行改進(jìn)成如圖三
(b)所示的結(jié)構(gòu)，即將模擬電源回路與數(shù)字電源回路完全分離。
使用單點(diǎn)接地方式時(shí)，要把低電平電路放在距接地點(diǎn)最近的地方，即圖二中的A點(diǎn)，因?yàn)樵擖c(diǎn)員接近于地電位。 B)．并聯(lián)接地
并聯(lián)單點(diǎn)接地是指各個(gè)單元電路的接地線各自分別引向接地點(diǎn)。獨(dú)立地線并聯(lián)單點(diǎn)接地的方式如圖四所示，圖中各單元電路分別用地線接于一個(gè)接地點(diǎn)，而圖四（b）則為其相對應(yīng)的等效電路圖。
由于并聯(lián)單點(diǎn)接地方式需要很多根地線，在印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)采用起來是比較麻煩而且笨重的。由于分別接地，勢必會(huì)增加地線長度，進(jìn)而增加了地線阻抗。另外，這種接地方式還會(huì)造成各地線相互之間的電感藕合，地線相互之間的分布電容也在地線之間形成電容藕合。隨著頻率增加，地線阻抗、地線間的電感鍋臺(tái)及電容鍋臺(tái)都會(huì)增大，因此這種接地方式不適用于高頻。當(dāng)頻率升高，特別是當(dāng)?shù)鼐€長度是1／4波長的奇數(shù)倍時(shí)，地線阻抗變得很高，地線就變成了天線，向外輻射干擾信號(hào)。所以地線長度不應(yīng)超過信號(hào)波長的1倍，以防止輻射，并降低地線阻抗。
在采用并聯(lián)單點(diǎn)接地方式時(shí)，還必須注意要把最低電平的單元電路布置在靠近接地點(diǎn)的A處，以使B點(diǎn)及C點(diǎn)的電位受影響最小。
一般我們都是把這兩種接地方式結(jié)合起來用，其基本原則為：首先，把容易產(chǎn)生相互干擾的電路各自分成小組，如把模擬電路和數(shù)字電路、小功率和大功率電路、低噪聲電路和高噪聲電路等區(qū)分開來；在每一個(gè)小組內(nèi)采用單點(diǎn)串聯(lián)方式把小組內(nèi)各電路的接地點(diǎn)串聯(lián)起來，選擇在電平最低的電路處作為小組接地點(diǎn)。
在頻率較低，地線阻抗不大，組內(nèi)各電路的電平又相差不大的情況下這種方式用得比較多，因?yàn)楸容^簡單，走線和電路圖相似，所以電路布線時(shí)比較容易。分組后再把各小組的接地點(diǎn)按單點(diǎn)并聯(lián)的方式分別連接到一個(gè)獨(dú)立的總接地點(diǎn)，混合接法的示意圖如下圖所示。

單點(diǎn)串聯(lián)和并聯(lián)混合接地方式 一般電子系統(tǒng)與設(shè)備中的地線至少有三種：信號(hào)地線、噪聲地線和金屬件地線。信號(hào)地線一般用于功率較小的電路，又可以進(jìn)一步分為模擬電路地線和數(shù)字電路地線。噪聲地線用在高功率電路例如晶間管、繼電器、電動(dòng)機(jī)等容易產(chǎn)生較高噪聲的電路。金屬件地線指設(shè)備機(jī)殼、機(jī)架和底板等，交流電源中的保護(hù)地線應(yīng)與金屬件地線相連。電路板布線的基本知識(shí)既適用于模擬電路，也適用于數(shù)字電路。一個(gè)基本的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是使用不間斷的地平面，這一常識(shí)降低了數(shù)字電路中的 dI/dt(電流隨時(shí)間的變化)效應(yīng)，這一效應(yīng)會(huì)改變地的電勢并會(huì)使噪聲進(jìn)入模擬電路，數(shù)字和模擬電路的布線技巧基本相同，但有一點(diǎn)除外。對于模擬電路，還有另外一點(diǎn)需要注意， 就是要將數(shù)字信號(hào)線和地平面中的回路盡量遠(yuǎn)離模擬電路。這一點(diǎn)可以通過如下做法來實(shí)現(xiàn)：將模擬地平面單獨(dú)連接到系統(tǒng)地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠(yuǎn)端，也就是線路的末端。這樣做是為了保持信號(hào)路徑所受到的外部干擾最小。對于數(shù)字電路就不需要這樣做， 數(shù)字電路可容忍地平面上的大量噪聲，而不會(huì)出現(xiàn)問題。
對于一個(gè)板子上包含高低頻信號(hào)，要將高頻和低頻分開，高頻元件要靠近電路板的接插件 。
三、電路板地線設(shè)計(jì)原則
(1)印制電路板布線中的“分地”原則
所謂“分地”是指在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)首先應(yīng)根據(jù)不同的電源電壓、數(shù)字電路和模擬電路、高速電路和低速電路以及大電流電路和小電流電路來分別布設(shè)地線分地的主要目的就是為了防止共地線阻抗耪合干擾。
根據(jù)電路功能模塊進(jìn)行“分地”設(shè)計(jì)時(shí)的一般原則是：
①低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，或采用部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；
②高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗；
③高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。
若印制電路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短面粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。
（2）接地線應(yīng)盡量加粗
如果接地線采用很細(xì)的印制導(dǎo)線，則接地電位隨電流的變化而變化，從而降低了抗噪性能。因此應(yīng)將接地線盡可能加粗，并且至少使它能通過三倍于印制電路板上的允許電流。當(dāng)然，如有可能，接地線應(yīng)在2mm一3mm以上。
（3）數(shù)字電路接地線構(gòu)成閉環(huán)電路
對于在印制電路板上只數(shù)字電路所構(gòu)成，則其接地電路應(yīng)布成圓環(huán)路形式，這樣一般能提高抗噪聲能力。
（4）接地與信號(hào)環(huán)路
控制地層或信號(hào)返回環(huán)路是印制電路板上的EMI抑制的一個(gè)最重要的設(shè)計(jì)考慮。必須認(rèn)真分析每一個(gè)與射頻噪聲電子電路產(chǎn)生的射頻電流相關(guān)的地單點(diǎn)連接，如在印制電路板地與底板大地之間的機(jī)械固定等。一般總是把高速的邏輯器件及振蕩器安排在盡可能接近地的單點(diǎn)連接點(diǎn)以最小化以渦流形式出現(xiàn)的到底殼地的射頻環(huán)路。

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【造物工場】

賦能中小團(tuán)隊(duì)，一站式硬件綜合服務(wù)平臺(tái)。PCB、PCBA、BOM、元器件、開發(fā)板在線下單等硬件產(chǎn)品方案。多名資深產(chǎn)品、項(xiàng)目經(jīng)理提供專業(yè)技術(shù)支持，一站式服務(wù)產(chǎn)品方案到設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等全鏈路服務(wù)。

服務(wù)領(lǐng)域：電子行業(yè)

服務(wù)對象：個(gè)體工程師、小型研發(fā)團(tuán)隊(duì)、小型硬件創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)。