復(fù)雜電路接地和供電的實用方法

1.考慮元件的額定功率和公差

2.確定連接寬度

3.確定對電壓降、噪聲引入或產(chǎn)生的敏感度

4.限制電流環(huán)路面積以減少EMI輻射

在圖2中，主電源軌已被顏色編碼，流經(jīng)相應(yīng)GND符號處的電流已被匹配到提供電流的電源軌。例如，每一個與電池充電不相關(guān)的部件(紅色)，有一個端電流返回到電池，但USB到音頻IC由3.3V BUCK調(diào)節(jié)器供電，而它是由5V Boost調(diào)節(jié)器供電的，之后接到電池。因此，GND電流從音頻IC按先后順序返回到各調(diào)節(jié)器，然后到達(dá)電池，音頻IC電流不會直接返回到電池。

圖2：典型的移動平板電腦示意圖模塊。

圖2所示的系統(tǒng)采用了一個鋰離子電池，通過USB充電器或無線功率發(fā)射器和接收器可以進(jìn)行充電。電池電壓可被升壓到+ 5V(用于相機(jī)變焦馬達(dá)、針對微處理器的+3.3V降壓調(diào)節(jié)器、音頻和觸摸屏)，可降壓到+ 1.2V(用于微處理器、存儲器、藍(lán)牙和WiFi)，也可升壓到+ 7V用于相機(jī)閃光燈。顯然，電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)放在各自的負(fù)載附近，但最終由于產(chǎn)品形狀尺寸的限制，通常迫使設(shè)計者把負(fù)載放在距離電源較遠(yuǎn)的位置，或在電路板周圍混雜放置。可以看出，每個電源需要支持多個負(fù)載，因此必須采用精心策劃的布線和布局方案來控制電流路徑和無意產(chǎn)生的EMI。這里是一些重要的布局考慮因素：i)可用的空間，)機(jī)械方面的約束，)電源和GND軌可接受的電壓降(負(fù)載電流和跡線/平面正方形數(shù)目的乘積)，)電源和GND電流路徑，以及v)成本(PCB層數(shù)，組件)，)數(shù)字或模擬信號的頻率，以及從電源直接返回路徑的可行性。

作為最后一個案例，這里介紹一個假設(shè)的具有機(jī)械約束的最終系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，用戶界面和整體尺寸會給設(shè)計帶來一些限制。圖3示出了每一個模塊的實際位置：

圖3：典型的移動平板電腦應(yīng)用模塊和布局。

圖3中的每個電源都被顏色編碼以便區(qū)分，圖中最重要的部分是彩色標(biāo)識的GND返回電流。因為多個電源是串聯(lián)的，導(dǎo)致每個最終負(fù)載和GND電流被迫以它們被加電時相同的順序去完成返回路徑。例如，電池為BUCK1.2V調(diào)節(jié)器加電，該調(diào)節(jié)器為微處理器供電。因此，流經(jīng)微處理器的電流在返回到電池之前，將直接返回到BUCK1.2V調(diào)節(jié)器器GND端。如果未能預(yù)見到全部的電流回路和電流路徑完成的次序，就可能導(dǎo)致電路運(yùn)行不穩(wěn)定，或者沒有足夠的GND電流返回，原因是這些問題沒有在電路布局中適當(dāng)?shù)乜紤]到并加以控制。

例如，可以很容易地想到系統(tǒng)工程師會把藍(lán)牙和WiFi天線放置在相機(jī)和閃光燈的位置。由照相機(jī)與無線/藍(lán)牙模塊的位置顛倒產(chǎn)生的問題是，即使+ 1.2V電源仍然可正常地把電力分開來提供給那些需要的模塊，高頻藍(lán)牙和WiFi的GND返回電流會直接流過微處理器/存儲器模塊的下方，由此可把與天線相關(guān)的紋波電流和電壓反彈直接引入到高頻微處理器GND和存儲器存取。這將導(dǎo)致電池溫度的模-數(shù)轉(zhuǎn)換錯誤，可能會破壞揚(yáng)聲器的立體聲音質(zhì)，影響相機(jī)的分辨率，并導(dǎo)致存儲器錯誤，以至于數(shù)據(jù)丟失。通過比較，如圖中所畫部分所示，從BUCK1.2V調(diào)節(jié)器到每個獨(dú)立的負(fù)載和返回電源路徑(在這種情況下為BUCK1.2V)，WiFi /藍(lán)牙電源和GND電流將保持獨(dú)立并且采取并聯(lián)方式，避免了所有上述問題。

值得注意的是，上述所列出的各例中都假設(shè)采用一個單一的GND，并且被畫在一個銅平面上，該平面在一個PCB層中為連續(xù)和不間斷的。此接地平面由電路中所有的模塊共享，而不是隔分GND平面，或把它分離為多個子部分，之后使用組件來連接GND平面及控制電流路徑。特意的模塊布局已經(jīng)開始得到實施，因為這種方法使用自然的電流流動可以使電路屏蔽免受不需要的GND反彈影響。任何承載電流或電壓(正電位)的線路必須要有一個返回路徑，而返回路徑應(yīng)盡可能地接近正電位形式的信號，并且會被分配到源信號/電源軌下方的GND平面上。

在理解了電流的流動和最小化電流環(huán)路的概念后可以得到一個明顯的結(jié)論，單點(diǎn)接地方法是PCB設(shè)計的理想和首選方法，因為它顯著減少了元件數(shù)量，電路板層數(shù)和潛在的輻射：每段線路和模塊應(yīng)該在PCB板上具有盡可能短的返回路徑。按照此指導(dǎo)原則，系統(tǒng)設(shè)計人員只需要從正確的走線寬度、組件和模塊的智能布局等角度來控制PCB設(shè)計。他沒有必要去檢查每一段線路，或搭建多個實驗板以獲得正確的電源、信號和GND方案。單一、不間斷的GND平面層帶來的另外一個優(yōu)點(diǎn)是該平面的連續(xù)性允許產(chǎn)生的熱量均勻地散布在整個PCB表面，從而實現(xiàn)較低的工作溫度。