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PCB接地設(shè)計(jì)
PCB的設(shè)計(jì)在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中可謂是必不可少的且重中之重的，PCB設(shè)計(jì)的好與壞將直接影響到產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)一個(gè)PCB電路實(shí)現(xiàn)其功能并不難，難的是其不受各種影響（如溫濕度變化，氣壓變化，機(jī)械沖擊、腐蝕影響等）而能持續(xù)保持正常穩(wěn)定的工作，這樣我們就會(huì)采取各種設(shè)計(jì)手段或制造工藝措施來排除或減少這些影響以保證PCB的正常工作，比如選用更寬溫的元器件以適應(yīng)高溫或低溫的使用環(huán)境；盡量使印制板兩面的電路圖形的面積相等來防止溫度變化帶來的印制板翹曲變形；合理安排大且重的元器件在印制板的位置并設(shè)計(jì)相應(yīng)的安裝固定結(jié)構(gòu)以防止振動(dòng)造成元器件脫落等。
PCB接地設(shè)計(jì)
首先最重要的就是接地，大家都知道接地設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，良好的接地是一個(gè)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定工作的前提。廣義的接地包含兩方面的意思，即接實(shí)地和接虛地。接實(shí)地指的是與大地連接;接虛地指的是與電位基準(zhǔn)點(diǎn)連接，當(dāng)這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，則稱為浮地連接。
接地的目的有兩個(gè)：
一是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾，常稱為工作接地；
二是為了避免操作人員因設(shè)備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險(xiǎn)和保證設(shè)備的安全，這稱為保護(hù)接地。
如果不考慮安全接地，僅從電路參考點(diǎn)的角度考慮，接地可分為懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。
浮地的目的是將電路或設(shè)備與公共地或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開。這種接地方式的缺點(diǎn)是設(shè)備不與大地直接相連，容易產(chǎn)生靜電積累，并最終發(fā)生具有強(qiáng)大放電電流的靜電擊穿現(xiàn)象。通常采取的辦法是在設(shè)備與大地之間接進(jìn)一個(gè)阻值很大的電阻，以消除靜電積累。單點(diǎn)接地是指在一個(gè)電路中，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)。
多點(diǎn)接地是指某個(gè)系統(tǒng)中，各個(gè)接地點(diǎn)都接到距離它最近的接地平面上，以使接地引線長度最短。它是高頻信號(hào)電路唯一實(shí)用的接地方式。一般來說，當(dāng)頻率低于1MHz時(shí)，采用單點(diǎn)接地方式為好；當(dāng)頻率高于10MHz時(shí)，采用多點(diǎn)接地方式為好；而在1～10MHz之間時(shí)，如果采用單點(diǎn)接地，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。一般情況下，在普通的工業(yè)控制系統(tǒng)中，信號(hào)頻率大多小于1MHz，所以通常也就采用單點(diǎn)接地方式。
混合接地就是單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的組合，適用的工作頻率范圍一般為500kHz～30MHz。
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大致又分為以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、信號(hào)地、系統(tǒng)地、交流地和保護(hù)地。
模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A- D和D- A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。
模擬信號(hào)有精度要求，它的信號(hào)比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場連接。有時(shí)為區(qū)別遠(yuǎn)距離傳感器的弱信號(hào)地與主機(jī)的模擬地關(guān)系，把傳感器的地又叫信號(hào)地。
數(shù)字地作為計(jì)算機(jī)各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開，避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的干擾。
系統(tǒng)地是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連作為基準(zhǔn)零電位。
交流地是計(jì)算機(jī)交流供電的動(dòng)力線地或稱零線，它的零電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點(diǎn)之間往往就有幾伏乃至幾十伏的電位差存在。另外，交流地也容易帶來各種干擾。因此，交流地絕不允許與上述幾種地相連，而且交流電源變壓器的絕緣性能要好，絕對(duì)要避免漏電現(xiàn)象。
保護(hù)地也叫安全地、機(jī)殼地或屏蔽地，目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電影響人身及設(shè)備安全。
了解了地線的分類和作用后，就需要將PCB中的地線進(jìn)行區(qū)別分類，并采取相應(yīng)的處理辦法來設(shè)計(jì)地線。如TTL、CMOS器件的地線要呈輻射狀，不能形成環(huán)形；印制電路板上的地線要根據(jù)通過的電流大小決定其寬度，不要小于3mm，在可能的情況下，地線越寬越好;旁路電容的地線不能長，應(yīng)盡量縮短；大電流的零電位地線應(yīng)盡量寬，而且必須和小信號(hào)的地分開。
為便于合理地選擇接地導(dǎo)體及其連接方式我們按表1對(duì)接地進(jìn)行了一些分類。
表1 接地的分類
還有一個(gè)需要重視的問題是PCB設(shè)計(jì)中對(duì)于參考平面的處理，這會(huì)直接影響到PCB的質(zhì)量。一般我們可按照如下方法進(jìn)行一些處理：
1）電源平面緊靠地平面（僅限于高頻電路）：當(dāng)電路的工作頻率很高（如大于100MHz）時(shí)，電源平面應(yīng)該緊靠地平面，這樣可以最大化電源平面與地平面的電容耦合，降低電源的噪聲。
2）多個(gè)地平面用過孔相連：當(dāng)PCB中有多個(gè)地平面層時(shí)，應(yīng)該在板上用較多分散的過孔將地平面連接在一起，特別在信號(hào)集中換層的地方，以便為換層的信號(hào)提供較短回路和降低輻射。如圖1所示在平面的周用過孔將地平面連接在一起，可以有效地降低PCB對(duì)外的輻射。
圖1 過孔連接
3）條件允許時(shí)，采用20H原則：由于電源層與地層之間的電場是變化的，在板的邊緣會(huì)向外輻射電磁干擾，稱為邊沿效應(yīng)。解決的辦法是將電源層內(nèi)縮，使得電場只在接地層的范圍內(nèi)傳導(dǎo)。以一個(gè)H（電源和地之間的介質(zhì)厚度）為單位，若內(nèi)縮20H則可以將70%的電場限制在接地層邊沿內(nèi)；內(nèi)縮100H則可以將98%的電場限制在內(nèi)。在實(shí)施20H原則時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先滿足信號(hào)的回路最小，信號(hào)阻抗連續(xù)。即縮進(jìn)電源平面時(shí)，若相鄰的信號(hào)層在電源平面邊緣有走線，可以在此范圍內(nèi)不考慮20H原則，確保信號(hào)不跨越，而且電源平面的邊緣應(yīng)該延伸出信號(hào)線位置。
4）加地平面作為信號(hào)隔離層：當(dāng)信號(hào)層數(shù)較多需要加隔離層時(shí)，最好加地平面作為隔離層，不要加電源層作為隔離層。
5）控制好平面的延伸區(qū)域：在進(jìn)行電源地平面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)控制好平面的延伸區(qū)域，避免不同類型電路的參考平面交疊。此外，平行的帶電平面之間存在電容耦合，如圖2所示模擬電源平面Analog P和數(shù)字地平面Digital G之間會(huì)相互耦合
圖2 控制好平面的延伸區(qū)域
