如何減少 PCB 板中的地彈

接地反彈是PCB板中的噪聲源。重要的是要防止這種情況，因?yàn)樗鼤?huì)中斷高速或高頻操作。接地反彈的主要原因是電路上不同點(diǎn)的接地電位差。

噪聲是任何電路中都不需要的元素。因此在一個(gè)電路板設(shè)計(jì)，考慮所有可能的噪聲源并實(shí)施所需的解決方案。地彈是這些噪聲源之一。在組裝過程中，所有組件和走線都接地。由于某些差異，電路中各個(gè)接地點(diǎn)之間可能存在電位差。在本文中，我們將幫助您了解地彈的原因、影響和預(yù)防技巧。

目錄

1.PCBA中的地彈是什么？

2.如何正確接地電路板？

2.1底盤接地

2.2信號(hào)地

2.3地平面

2.4大地

3.什么導(dǎo)致接地回路？

4.地彈是如何產(chǎn)生的？

5.如何減少地彈

5.1旁路電容有什么作用？

5.1.1電容器設(shè)計(jì)參數(shù)

5.2旁路電容應(yīng)該放在PCB的什么位置？

5.2.1旁路電容和去耦電容有什么區(qū)別？

5.3減少地彈的布局設(shè)計(jì)規(guī)則

電路板組件上的所有接地點(diǎn)都應(yīng)該處于相同的電位。由于某些原因，單板接地參考點(diǎn)的電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為地彈。

理想情況下，對(duì)于安裝在板上的 IC 封裝：

實(shí)際上，這些潛在的差異并不總是相同的。在我們?cè)敿?xì)解釋造成這種差異的原因之前，讓我們先來看看將電子組件接地的有效方法。

在變電站和傳輸設(shè)備等大型電氣系統(tǒng)中，電流的返回路徑直接連接到物理接地。這種方法稱為直接接地。然而，許多電子電路缺乏這種規(guī)定。汽車或航天器中的電路板組件與物理接地隔離。因此，要提供當(dāng)前返回路徑，設(shè)計(jì)者使點(diǎn)或平面保持在地電位。這種方法稱為間接接地。

電路板中不同類型的接地是：

連接到設(shè)備金屬外殼的公共接地點(diǎn)稱為機(jī)箱接地。PCB 上的所有接地點(diǎn)都聚集在一起在這一點(diǎn)上連接。它為設(shè)備提供電擊保護(hù)和物理屏蔽。該接地可防止電流流過機(jī)箱的整個(gè)表面區(qū)域。因此，不會(huì)形成引起 EMF 的接地回路。

信號(hào)地是板上測量信號(hào)的一個(gè)點(diǎn)。該參考點(diǎn)通常位于電路板表面并連接到內(nèi)部接地平面。可以在信號(hào)接地點(diǎn)上注入噪聲。這就是為什么這些點(diǎn)被放置在 PCB 本身上而不是隔離到不同的位置。

當(dāng)涉及處理精確低電壓的電路板時(shí)，更清潔的信號(hào)接地是一個(gè)重要參數(shù)，例如醫(yī)療PCB. 在這些電路板中，即使很小的噪聲信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題.

同一電路板的模擬和數(shù)字部分允許共享相同的信號(hào)地。

地平面是一層PCB堆疊保持在 0V 電位。它充當(dāng)參考平面和通過電路板循環(huán)的返回電流的匯。來自表面的信號(hào)接地點(diǎn)通過過孔. 接地層提供有效的信號(hào)返回、電壓返回，并減少噪聲和干擾。保持地平面連續(xù)是一個(gè)很好的做法。這將避免形成提供替代電流返回路徑的接地回路，從而中斷操作。

接地是從電路到物理接地的直接連接。這種接地在電子電器中很突出。電氣互連中的短路或與設(shè)備底盤/覆蓋物接觸的帶電組件是危險(xiǎn)的。操作人員接觸底盤會(huì)觸電。因此，所有高壓電路都需要接地。

接地回路是由整個(gè)電路中的接地電位差引起的多個(gè)電流返回路徑。因此，電流通過比所需路徑更短的其他路徑循環(huán)。理想情況下，PCB 組件上的所有接地點(diǎn)和平面都應(yīng)處于相同的電位。但在實(shí)際場景中，將 IC 連接到電路板的引線中存在電感。該電感會(huì)產(chǎn)生小電壓降并成為接地反彈的原因。

感應(yīng)寄生電感的值非常小，但對(duì)于晶體管等器件來說是不可忽視的。這些器件是由邏輯門構(gòu)成的高速開關(guān)電路。晶體管的信號(hào)電壓在高 1 和低 0 之間切換。

當(dāng)IC電壓為1時(shí)，表示輸出電壓接近V抄送. 同樣，如果電壓為 0，則表明輸出電壓正在接近地電位（0V）。由于上述電感，接地電壓開始波動(dòng)或反彈至 0V 以外的其他值。這就是地面彈跳背后的原因。

地彈導(dǎo)致電路將低 (0) 誤解為高 (1)。因此，整個(gè)電路板上的數(shù)字邏輯器件的操作都會(huì)受到影響。

除了對(duì)操作的影響外，地彈被認(rèn)為是 PCBA 上的噪聲。因此它減少了信號(hào)完整性. 因此，設(shè)計(jì)師采取必要的指導(dǎo)方針來消除地面彈跳。

使用下面給出的電路也可以清楚地解釋地彈的產(chǎn)生。

用于說明地彈的模型電路

該圖顯示了一個(gè)帶有 CMOS 的電路，它連接到一個(gè)帶有 C 的輸出負(fù)載升電容和 R升反抗。其他參數(shù)如下：

• LA：封裝電源線的固有電感

• LB：封裝輸出引線的固有電感

• LC：CMOS封裝接地引線中的固有電感

• R1：CMOS IC的輸出電阻

現(xiàn)在讓我們看一下輸出從高（1）變?yōu)榈停?）的場景。在這種情況下，電流從負(fù)載側(cè)流出，負(fù)載電容放電。該電流（I）流過電感LB和LC產(chǎn)生電壓V=L（dv/dt）。該產(chǎn)生的電壓導(dǎo)致內(nèi)部CMOS接地的電勢與外部負(fù)載接地的電勢不同。因此，與外部接地的零電位相比，內(nèi)部參考接地的電位更高。這種差異表現(xiàn)為電路中的噪聲，并影響電路中開關(guān)設(shè)備的工作。

通過示波器觀察到的電路的地彈振蕩如下所示。

地彈波形

頂部波形代表開關(guān)器件 I/O 引腳的輸出。底部波形顯示由于地彈引起的尖峰（噪聲）。

PCB 設(shè)計(jì)人員一直在尋找減少地彈的技巧。最常用的方法是在電路上放置一個(gè)旁路電容.旁路電容器有效地繞過電壓尖峰和電源噪聲. 它連接在 VCC和 IC 封裝的 GND 引腳。

電容器在交流和直流電路中的行為不同。在直流電路中，它被充電到電源電流，然后完全阻止電流流動(dòng)。在交流電路中，它為瞬態(tài)信號(hào)到地提供了一條簡單的路徑。因此，作為瞬態(tài)信號(hào)的地彈或噪聲被直接旁路到地。直流信號(hào)將被電容器阻擋，因此流經(jīng)電路并刺激操作。

使用旁路電容器消除噪音

• 引線電感是一個(gè)關(guān)鍵因素

• 多層陶瓷片式電容器（MLCC）是常用的

• 最大電容器電流取決于最大脈沖壓擺率

• 從低到高切換時(shí)消耗的電流量

旁路電容器盡可能靠近組件的電源引腳放置。該電容器充當(dāng)晶體管等開關(guān)組件的本地電荷存儲(chǔ)。額外的電壓尖峰存儲(chǔ)在這個(gè)電容器中，而不是通過電路循環(huán)。

因此，所有接地點(diǎn)將處于相同電位，不會(huì)出現(xiàn)地彈噪聲。以下是與旁路電容器相關(guān)的更多設(shè)計(jì)指南：

• 使用寬和短的走線和過孔將旁路電容焊盤連接到電源和接地引腳。這最大限度地減少了電感并改善了電流。

• 集成 SMD 電容器。

• 添加靠近電容器焊盤的過孔。

電容器廣泛用作旁路和解耦組件. 這些術(shù)語在電路板設(shè)計(jì)中極為常見，因此讓我們來看看兩者之間的區(qū)別。

• 用過孔焊盤在設(shè)計(jì)允許的情況下。

• 減少信號(hào)返回路徑距離。減少的距離將減少寄生電容. 為此，最好將組件放置在其接地點(diǎn)正上方。

• 不要使用插座或繞線板。

• 切勿共用接地過孔或走線進(jìn)行接地連接。建議使用單獨(dú)的過孔和走線連接到地平面。

推薦的接地連接

• 不要將電容器直接連接到輸出。

• 實(shí)施低壓差分信號(hào) (LVDS) 作為 I/O 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)提供高帶寬和高抗噪性。

• 選擇短引線封裝以降低串聯(lián)電感。BGA也推薦。

• 使用實(shí)心地平面來減少 IR 損耗和電感。避免接地分離平面。

• 如果設(shè)計(jì)允許，盡量使用較低的開關(guān)元件。

地彈減少技術(shù)導(dǎo)致更好的信號(hào)完整性. 這些方法消除了電路中的所有瞬態(tài)噪聲，從而提高了效率。希望本文能幫助您更接近完美的無噪聲電路板設(shè)計(jì)。如果您有任何疑問，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論留言。