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多层高速PCB设计学习笔记(三) GND的种类及PCB中GND布线实战

贾saisai 2024-01-21 原文

系列文章目录

多层高速PCB设计学习(一)初探基本知识(附单层设计补充)

多层高速PCB设计学习笔记(二)基本设计原则及EMC分析

多层高速PCB设计学习笔记(三) GND的种类及PCB中GND布线实战

多层高速PCB设计学习笔记(四)四层板实战(上)之常见模块要求

多层高速PCB设计学习笔记(五)四层板实战(下)之阻抗控制计算(SI9000)


目录


前言

之前了解了一些模块的接口和含义,现在处理一个复杂的PCB中GND的问题

GND的分类

(1)数字地:也叫逻辑地,是各种开关量(数字量)信号的零电位。

(2)模拟地:是各种模拟量信号的零电位。

(3)信号地:通常为传感器的地。

(4)交流地:交流供电电源的地线,这种地通常是产生噪声的地。

(5)直流地:直流供电电源的地。

(6)屏蔽地:也叫机壳地,为防止静电感应和磁场感应而设。

常见GND符号:
		VSS表示数字电源地。
		GND表示模拟信号地。
		模拟地线AGND
		数字地线DGND
		功率地线PGND
		电源地线GND
		交流地线CGND

PCB中GND的处理

(1)在低频电路中,布线和元件间的电感并不是什么大问题,然而接地形成的环路的干扰影响很大,因此,常以一点作为接地点;但一点接地不适用于高频,因为高频时,地线上具有电感因而增加了地线阻抗,同时各地线之间又产生电感耦合。一般来说,频率在1MHz以下,可用一点接地;高于10MHz时,采用多点接地;在1~10MHz之间可用一点接地,也可用多点接地。

(2)交流地与信号地不能共用。由于在一段电源地线的两点间会有数mV甚至几V电压,对低电平信号电路来说,这是一个非常重要的干扰,因此必须加以隔离和防止。

(3)浮地与接地的比较。全机浮空即系统各个部分与大地浮置起来,这种方法简单,但整个系统与大地绝缘电阻不能小于50MΩ。这种方法具有一定的抗干扰能力,但一旦绝缘下降就会带来干扰。还有一种方法,就是将机壳接地,其余部分浮空。这种方法抗干扰能力强,安全可靠,但实现起来比较复杂。

(4)模拟地。模拟地的接法十分重要。为了提高抗共模干扰能力,对于模拟信号可采用屏蔽浮技术。对于具体模拟量信号的接地处理要严格按照操作手册上的要求设计。

(5)屏蔽地。在控制系统中为了减少信号中电容耦合噪声、准确检测和控制,对信号采用屏蔽措施是十分必要的。根据屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一样。电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地;电磁场屏蔽主要避免雷达、电台等高频电磁场辐射干扰。利用低阻金属材料高导流而制成,可接大地。磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应,其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。

注意:

(1)布线的时候尽量不要跨电源分割,这也是因为信号跨越了不同电源层后,它的回流途径就会很长了,容易受到干扰

(2)将模拟地和数字地分开,模拟信号和数字信号都要回流到地,因为数字信号变化速度快,从而在数字地上引起的噪声就会很大,而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起,噪声就会影响到模拟信号。一般来说,模拟地和数字地要分开处理,然后通过细的走线连在一起,或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开,如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。

VCC表示模拟信号电源,GND表示模拟信号地,VDD表示数字信号电源,VSS表示数字电源地。

根据经验法则,对于低于1MHZ的电路,采用单点接地较好;对于高于10MHZ,则采用多点接地为佳。对于介于两者之间的频率而言,只要最长传输线的长度L小于/20入,则可采用单点接地以避免公共阻抗耦合。

PCB中GND的实战分析

学习ETA9640充电宝充电和升压的管理芯片时,看到芯片手册里面的PCB布局分开了模拟GND和数字GND(深色部分是铺铜)

简单介绍一下这个芯片:

ETA9640是一个完全集成的电源管理单元,专门设计用于移动 充电器、备用电池充电器等应用而设计的。它包括一个高效率的同步升压装置。

它由一个高效率的同步升压转换器和一个线性电池充电器组成。该升压转换器可以在锂电池输入电压为5V时提供高达1A的输出电流。提供了强大的输出过载保护。还有LED 指示灯,因为整个装置在充电期间只消耗不到100uA的静态电流。

ETA9640采用ESOP8封装。


这里初步看出模拟地和数字地是分开的,那么之后具体该怎么连接在一起呢?

实例分析及其操作:
视频:从大坝来看GND和铺铜到底该如何处理!

从图中分析;

(1)首先那两个红色的地方说明,大电流和小电流的GND要分割,不然会相互影响。

(2)其次下一级的GND要回到上一级,12v转5v 和 5v转3V这两个模块,下一级的5v要连接上上一级的5v

(3)单片机的模拟地和数字地分别回到他们的来源:3.3vGND,因为一般是3.3v供电

(4)一般模块内的GND要连接在一起(模块指的是例如3.3v的一整个模块),例如下图,左右应该在布线时分开,但是框里的应该连在一起

(5)不要大面积直接铺地,全部连在一起。

(6)单点接地如下图,还是利用铺铜加过孔连接一起

还是有待学习,评论区有不同意见;





2022.11.20更新

更多实战布局例子

视频链接:
“你割了吗?”数字地和模拟地到底要不要分割?

1. 分割数字模拟案例

通过一个磁珠将数字信号和模拟信号连接


2. 统一地平面案例

开源的FPGA开发板

数字地和模拟地连在一起了

地平面很完整

3.注意保证地平面的完整性


双层板尽量不要在地平面走线,如果走也要经量短,像上图,底层走线后,在顶层通过过孔把GND连在一起,保证回流路径

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