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降低双面 PCB 中的噪声:双层 PCB 设计中的多点接地(网格接地)

关键词:双层 PCB 设计

时间:2023-04-10 10:51:53      来源:网络

多层板的接地平面可以显着改善电路的噪声性能。对于双面板,我们通常不能有地平面,我们预计会有更多的噪声和辐射。由于这个限制,我们更喜欢多层板,除非成本目标迫使我们使用两层板。

了解如何使用网格化接地技术降低双面 PCB 中的噪声。

多层板的接地平面可以显着改善电路的噪声性能。对于双面板,我们通常不能有地平面,我们预计会有更多的噪声和辐射。由于这个限制,我们更喜欢多层板,除非成本目标迫使我们使用两层板。

即使我们没有带双层板的地平面,仍然有一些技术可以用来提高电路性能。本文介绍了接地网格技术,它使我们能够为双面板实现高效的接地电路。

地平面如何降低电路板噪声?为了更好地理解“接地网格”技术的操作,它会帮助您首先了解 PCB 中接地层的功能。如果需要,请在继续之前查看我关于地平面如何降低电路板噪声的文章。

什么是网格地平面?

接地网格由跨 PCB 的接地连接网络创建。例如,如图 1 所示,我们可以在电路板的底层有一些水平接地走线,在顶层有一些垂直接地走线。此外,在垂直和水平地线的交叉处有过孔。


图 1. 图片由 TI 提供。

上述技术如何创建低电感接地系统?图 1 中的网格相当粗糙。更精细的接地网格如图 2 所示(底部和顶部接地迹线未区分)。信号迹线将左上角门的输出连接到右下角门的输入。


图 2.图片由 EMC 和印刷电路板提供。

如您所见,电流环路可以通过接地电网提供的许多备选返回路径闭合。尽管有许多并联的返回路径,但大部分电流将流过靠近信号走线的路径,以限度地减少路径电感。图中显示了可能表现出相对较小电感的返回路径。

请注意,对于接地网格,您可能必须使用多个过孔在 PCB 上布线信号走线。这在图 3 中显示(在图 2 的概念图中未显示)。


图 3.图片由电磁兼容性简介提供。

因此,让大部分顶层走线垂直走线,而让大部分底层走线水平走线,这样需要的过孔更少。

它有多有效?

检查接地系统有效性的一种方法是测量板上各种 IC 之间的接地噪声电压。一项研究比较了使用接地网格的双层板与采用单点接地的类似设计的 IC 接地引脚之间的电压差。研究表明,接地网格可以将 IC 接地引脚之间的电压差从 1000 mV 降低到 100 mV(这是各种 IC 组合之间的改进)。根据这项研究,当应用接地网格技术时,电路板辐射减少了大约 7 dB。有关此研究的更多详细信息,请参阅Henry W. Ott 的《电磁兼容工程》 第 10.5.3 节。

要显着降低接地电路电感,应使用 0.5 英寸或更小的接地网格间距。一般来说,随着操作频率的增加,我们可能需要使用更细的栅格来提供更多的并联路径并降低接地系统电感。接地网格技术与工作频率高达 10 MHz 的电路兼容;高于此频率应使用地平面。

接地网格技术的其他版本

不同的书籍和应用笔记建议了略有不同版本的接地网格技术。虽然图 1 的接地网格仅依赖于接地迹线,但 Howard Johnson 和 Martin Graham 合着的《高速数字设计:黑魔法手册》 建议使用图 4 中所示的网格。


图 4.图片由 Howard Johnson 和 Martin Graham 提供,来自 高速数字设计:黑魔法手册。

在这种情况下,顶层的垂直地线被电源线取代。水平构件接地。请注意,这些地线位于电路板底部并且是连续的;它们不会被顶层的电源线中断。图 4 的接地网格将起作用,因为 AC 返回电流可以沿接地迹线或电源迹线同样良好地流回其源。由于该方案不能使用过孔,我们必须在垂直和水平走线的交叉点使用旁路电容。这些电容器应该是高质量的,以使电流容易流回其驱动栅极。

我们还可以在顶层和底层都有接地和电源走线。这在下面的图 5 中显示。


图 5.图片由 TI 提供。

这将占用更多的电路板空间,但我们预计它会表现出较低的电感,因为现在返回电流可以流过接地走线和电源走线。流经电源走线的返回电流部分将使用旁路电容器到达附近的接地走线,电流可通过该接地走线流回驱动栅极。

如果电路板空间限制不允许您使用宽走线,您可以使用窄走线实现网格。如图 6 所示。


图 6.图片由电磁兼容工程提供。 

宽走线可以提供较低的电阻,这对于低频考虑很重要;然而,即使是很窄的走线也会为电网系统增加许多平行路径并降低接地电感(高频考虑)。

结论

接地路径电感会通过几种不同的机制增加电路板噪声。多层板让我们拥有坚固的接地层,可以显着降低接地电感。然而,对于双面板,我们必须求助于其他技术,例如接地网格,以实现低电感接地系统。一项研究表明,接地网可以将辐射降低约 7 dB,并将接地电压差异降低一个数量级。

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