接地技術(shù)介紹 （三）
PCB 接地設(shè)計(jì)
優(yōu)秀的PCB設(shè)計(jì)，不僅表現(xiàn)在電氣性能指標(biāo)上，還表現(xiàn)在EMC性能指標(biāo)、抗干擾能力。而決定PCB指標(biāo)非常重要的因素之一，就是PCB接地設(shè)計(jì)。
根據(jù)信號(hào)類別，接地可以分為模擬地、數(shù)字地；根據(jù)模塊電路不同，接地又可以分為音頻地、圖像地、射頻地、AC電源地、DC電源地等；而根據(jù)地的用途，可以分為信號(hào)回流地、濾波接地、屏蔽接地、保護(hù)接地、參考地平面等。
PCB設(shè)計(jì)時(shí)如何減少地阻抗，如何使不同的地平面之間等電位，在地分隔與參考地平面完整性之間如何平衡，以及跨分隔后如何處理信號(hào)回流路徑面積最小化，接下來我們逐一分析舉例。
一、如何通過 PCB 接地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)環(huán)路面積最小化
當(dāng)信號(hào)的頻率很低時(shí)，信號(hào)的回流主要沿最低電阻路徑，即幾何最短路徑。當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定頻率（F≥1MHz）時(shí)，信號(hào)的回流主要集中沿最低電感路徑，返回電流主要沿印制線 下方回流，圖中的虛線表示信號(hào)的回流。
當(dāng)信號(hào)速率較高時(shí)，無論信號(hào)緊靠的是電源平面還是地參考平面，信號(hào)的返回電流總是沿緊靠的參考平面回流。
1.1、PCB 上的環(huán)路天線效應(yīng)
PCB 上快速變化的電流回路，其作用相當(dāng)于小回路天線，它會(huì)向外進(jìn)行電磁場輻射（屬于差模輻射方式）。輻射的電磁場強(qiáng)度與回路中電流的大小 I、回路的面積 A、電流的頻率的二次方成正比。同理，PCB 上的信號(hào)回路（小回路天線）也會(huì)接收周圍快速變化的電磁場，而產(chǎn)生干擾電流。
當(dāng)出入 PCB 的電纜上存在共模電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共模輻射。輻射的電場強(qiáng)度與共模電流的大小、共模電流的頻率、線的長度成正比。同時(shí)，它也會(huì)對 PCB 上的電路產(chǎn)生共模干擾。
1.2、PCB 電流環(huán)路面積最小化設(shè)計(jì)
信號(hào)環(huán)路面積最小化是改善EMC性能指標(biāo)非常經(jīng)濟(jì)有效的措施,而PCB電流環(huán)路面積的最小化設(shè)計(jì)就是利用磁通對消的原理，抑制空間電磁場的發(fā)射。PCB電流環(huán)路面積最小化設(shè)計(jì)，首先是識(shí)別電路中干擾源的電流環(huán)路（主要是高頻電流環(huán)路）；其次分析干擾源的電流環(huán)路PCB如何設(shè)計(jì)才能達(dá)到環(huán)路面積最小化；指導(dǎo)PCB Layout工程師進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。
Buck DC-DC 電流環(huán)路面積 PCB 最小化設(shè)計(jì)舉例：
通用 Buck DC-DC 電路設(shè)計(jì)
第一步：識(shí)別干擾源的電流環(huán)路：
通過分析可知，Buck DC-DC主要電流環(huán)路為開通環(huán)路、關(guān)斷環(huán)路（續(xù)流環(huán)路），具體電流環(huán)路如圖所示。
開通電流環(huán)路
續(xù)流電流環(huán)路
第二步：分析電流環(huán)路
對于開通環(huán)路來說，輸入端高頻濾波電容正極靠近電源引腳，濾波電容的接地端緊挨續(xù)流二極管正極。而對于續(xù)流環(huán)路來說，輸出端高頻旁路電容正極貼片濾波電感輸出引腳，濾波電容接地端緊挨續(xù)流二極管正極。通過以上方式進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，方可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出 高頻環(huán)路面積的最小化。
第三步：如何實(shí)現(xiàn) PCB 電流環(huán)路面積最小化設(shè)計(jì)
備注： 雙層板設(shè)計(jì)時(shí)，輸出輸入濾波電容接地端、續(xù)流二極管接地端、DC-DC IC 的接地保持在相同的層，同時(shí)彼此之間的連接保持最低阻抗，參考 Layout 如上圖所示。
1.3、信號(hào)回流路徑的 PCB 設(shè)計(jì)
多層板PCB設(shè)計(jì)，信號(hào)回流路徑是沿最下方參考平面（電源平面&參考地平面）返回；雙面板PCB設(shè)計(jì)，信號(hào)回流路徑即可以選擇沿最下方參考平面返回，又可以選擇信號(hào)兩側(cè)地線做電流返回路徑；單面板PCB設(shè)計(jì)，信號(hào)優(yōu)選兩側(cè)包地線返回，也可以通過寄生電容沿附近的金屬平面返回。
多層板信號(hào)返回路徑 PCB 設(shè)計(jì)
多層板PCB設(shè)計(jì)時(shí)，信號(hào)回流路徑沿最下方參考平面（電源平面&參考地平面）返回到源端是最優(yōu)的設(shè)計(jì)。PCB設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)避免出現(xiàn)下方參考平面跨分隔的情況，例如上圖。
多層板PCB設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)信號(hào)下方參考平面跨分隔不可避免出現(xiàn)時(shí)，可在信號(hào)布線兩側(cè)增加伴隨地線，為信號(hào)提供回流路徑。也可以在參考平面跨分隔的邊緣，通過耦合電容的方式進(jìn)行橋接。
多層板PCB設(shè)計(jì)時(shí)，信號(hào)有時(shí)不可避免的需要換層，同時(shí)參考平面也不可避免的需要換層，參考平面換層但未改變屬性，只需要在信號(hào)換層過孔兩側(cè)增加地過孔伴隨參考平面換層即可。若參考平面屬性改變（由參考地平面改為參考電源平面），則需要在信號(hào)換層過孔兩側(cè)增加橋接電容連接兩個(gè)不同屬性的參考平面，例如上圖。
雙層板信號(hào)返回路徑 PCB 設(shè)計(jì)：
雙層板PCB設(shè)計(jì)時(shí)，由于受PCB層數(shù)的限制，很難保證有完整的參考平面為信號(hào)提供回流路徑。故雙層板PCB設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)選擇信號(hào)兩側(cè)的地線作為回流路徑。此設(shè)計(jì)方式要注意兩側(cè)包地線與參考地平面之間的等位問題，包地線與參考地平面之間存在電位差時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生新的共模電流干擾，導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射發(fā)射問題。
選擇信號(hào)兩側(cè)包地線作為信號(hào)返回路徑時(shí)，還注意包地線從源端到SINK端的完整性， 當(dāng)信號(hào)底層出現(xiàn)嚴(yán)重的跨分隔時(shí)，需保證跨分隔前后地線、跨分隔部分地線與參考地平面的等電位。
1.4、芯片供電電源濾波電容接地設(shè)計(jì)：
芯片集成度越高，功能越強(qiáng)大，供電電源設(shè)計(jì)就越復(fù)雜，芯片電源設(shè)計(jì)的可靠性決定系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。芯片供電電源的濾波與退耦設(shè)計(jì)是影響輻射發(fā)射的重要因素之一，供電電源電壓的穩(wěn)定性是導(dǎo)致 ESD 問題的重要因素之一。
針對芯片供電電源濾波電容與退耦電容的接地設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循如下設(shè)計(jì)規(guī)則：
芯片濾波電容接地端應(yīng)直接過孔接參考地平面，避免接端子信號(hào)兩側(cè)包地線（雙層板）防止信號(hào)包地線電位波動(dòng)，芯片供電電壓隨之波動(dòng)，導(dǎo)致芯片因欠壓工作異常。
芯片供電電源應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離外部靜電放電測試的端子，濾波電容接地端也應(yīng)避免接靜電放電測試端子外殼的頂層接地，避免靜電放電過程中地電位波動(dòng)，芯片供電電壓隨之波動(dòng)，導(dǎo)致芯片因欠壓工作異常。（也避免芯片電源噪聲通過端子連接線向外輻射）
芯片濾波電容接地端應(yīng)直接過孔接參考地平面，避免接內(nèi)部互聯(lián)插座信號(hào)兩側(cè)包地線 （雙層板），尤其是直接接內(nèi)部互聯(lián)接座的接地引腳，防止芯片電源噪聲通過濾波電容耦合到內(nèi)部互聯(lián)線，借助線纜向外輻射。
芯片不同模塊供電電源濾波電容接地端，要采用單獨(dú)過孔到參考地平面接地，避免不同電源濾波電容共用地過孔接地的情況，防止共用過孔產(chǎn)生的電源噪聲串?dāng)_問題。
芯片供電電源濾波接地設(shè)計(jì)小結(jié)：
芯片供電電源濾波電容接地設(shè)計(jì)除遵循以上常規(guī)約束之外，還應(yīng)該避免出現(xiàn)濾波電容通過較長PCB布線接參考地平面的情況；以及芯片不同模塊供電電源濾波電容濾波后形成 的高頻環(huán)路耦合。
1.5、外部端子連接器接地設(shè)計(jì)
外部端子連接器是靜電放電的測試點(diǎn)，同時(shí)也是輻射測試的主要目標(biāo)。因此外部端子連接器的接地設(shè)計(jì),決定 ESD 測試和輻射測試是否順利通過的重要支撐點(diǎn)。
對于外部端子連接器的接地設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循如下設(shè)計(jì)規(guī)則：
外部端子金屬外殼接地引腳在頂層接地與芯片濾波接地進(jìn)行分隔，芯片濾波電容接地端單獨(dú)過孔到底層地平面接地。
當(dāng)信號(hào)布線在頂層穿過外部端子下方時(shí)，外部端子頂層接地與信號(hào)布線間距應(yīng)≧30mil，防止靜電放電干擾在頂層耦合到信號(hào)布線上，造成 ESD 問題。
外部端子內(nèi)部信號(hào)地與外部端子外殼接地進(jìn)行在頂層進(jìn)行分隔，防止靜電放電過程造成信號(hào)地波動(dòng)，造成信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。
外部端子信號(hào)脫錫焊盤尖峰避免正對外部端子接地，防止靜電放電時(shí)地平面與信號(hào)之間產(chǎn)生尖峰放電，導(dǎo)致 ESD 問題。
當(dāng)直通芯片或者芯片電源布線靠近外部端子布線時(shí)，外部端子地平面與直通芯片布線應(yīng)保持≧30mil 的間距，防止靜電放電問題。
1.6、信號(hào)包地線的接地設(shè)計(jì)
信號(hào)兩側(cè)包地線在雙層板設(shè)計(jì)中，主要被應(yīng)用于為信號(hào)提供回流路徑，以及用于隔離信號(hào)之間的串?dāng)_。在多層板設(shè)計(jì)中，主要被運(yùn)用于隔離信號(hào)之間的串?dāng)_，或者為跨分隔的信號(hào)提供回流橋接?；诎鼐€的功能用途，結(jié)合抗擾度測試及輻射發(fā)射測試的需要，包地線的接地設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下規(guī)則：
? 信號(hào)包地線應(yīng)禁止與外部端子的接地引腳（尤其是測試空氣放電的引腳）在頂層直接連接，以防止靜電放電干擾沿接地引腳到包地線，干擾到包地線兩側(cè)的敏感信號(hào)。
? 作為信號(hào)回流路徑的包地線，應(yīng)完整的伴隨信號(hào)布線從源端到接收端，防止因包地線不完整而導(dǎo)致信號(hào)回流面積較大，導(dǎo)致的嚴(yán)重的輻射問題。
? 為敏感信號(hào)或者強(qiáng)干擾信號(hào)提供屏蔽的包地線，應(yīng)保持整個(gè)線跡軌跡與參考地平面的等電位，防止因包地線阻抗較高（高頻狀態(tài)下）導(dǎo)致的隔離效果較差，甚至發(fā)生串?dāng)_。
? 作為信號(hào)回流路徑的包地線，當(dāng)出現(xiàn)跨分隔時(shí)，應(yīng)使跨分隔前后的包地線與參考地平面保持等電位，防止因地電位差產(chǎn)生共模電流，導(dǎo)致嚴(yán)重輻射問題。 1.7、PCB 參考地平面的分隔設(shè)計(jì)
我們知道完整的參考地平面，可以為信號(hào)回流提供低阻抗路徑。前面我們也提到不同信號(hào)共用回流路徑時(shí)，較容易發(fā)生共地環(huán)路干擾。在PCB面積受限的情況下，我們通常會(huì) 采用參考地平面分隔的方式，解決不同信號(hào)之間共地環(huán)路干擾問題。對于參考地平面的分隔，應(yīng)該遵循的原則是能完整就不分隔，強(qiáng)弱信號(hào)回流路徑分隔，分隔兼顧靜電電流泄放路徑。
1.8、PCB 螺絲孔的接地設(shè)計(jì)
PCB接地螺絲孔主要作用是PCB板與金屬背板之間建立等電位體，縮小高頻環(huán)路面積，減小地平面噪聲電流，切斷噪聲耦合路徑。二是為靜電電流提供低阻抗泄放路徑，進(jìn)行靜電電流分流，減小PCB板上元件、信號(hào)的靜電放電干擾。
接地螺絲孔數(shù)量的設(shè)置、擺放位置、接地螺絲孔的焊盤設(shè)計(jì)，是決定接地螺絲孔是否能夠達(dá)到接地阻抗最小化設(shè)計(jì)的主要因素，所以在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。
螺絲孔可靠性接地設(shè)計(jì)案例分析：
由于接地螺絲是通過AC插座塑膠孔鎖附于屏金屬背板，屏金屬背板凸包與板卡接地螺絲孔的接觸面積較小，高頻下接地阻抗較大，Y電容接地不良，輻射測試嚴(yán)重超標(biāo)。
螺絲孔可靠性接地設(shè)計(jì)案例（三）：
螺絲孔可靠性接地設(shè)計(jì)案例分析：
由于整機(jī)板卡鎖附方式的多樣性，接地螺絲孔設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際整機(jī)的生產(chǎn)鎖附方式，選擇恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞剑_(dá)到靜電電流分流與縮小高頻環(huán)路面積的目的即可。
二、屏蔽的接地設(shè)計(jì)
2.1、屏蔽的定義
屏蔽就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮?、殼、板等結(jié)構(gòu)形式，將電磁干擾場限制在一定的空間范圍內(nèi)，使干擾場經(jīng)過屏蔽體時(shí)受到很大的衰減，從而抑制電磁干擾源對相關(guān)設(shè)備或空間的干擾。
屏蔽是抑制電磁干擾源的有力措施之一。從屏蔽的側(cè)重范圍分為電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽三種。電場屏蔽：即對靜電場或交變電場的屏蔽，防止或抑制寄生電容耦合，隔離靜電場或交變電場干擾。磁場屏蔽：用于防止磁感應(yīng)，抑制寄生電感耦合，隔離磁場干擾。電磁場屏蔽：用于防止和抑制高頻電磁場（電磁波）的屏蔽。
屏蔽體設(shè)計(jì)的性能通過屏蔽效能(SE)指標(biāo)反應(yīng)。屏蔽效能即屏蔽前后空間某點(diǎn)的電（磁）場強(qiáng)度之比，常用分貝來表示。
SE=20lgE1/E2 dB
2.2、電場屏蔽與接地設(shè)計(jì)
從場的觀點(diǎn)看，電場屏蔽實(shí)質(zhì)是干擾源發(fā)出的電力線被終止于屏蔽體內(nèi)，切斷干擾源的耦合路徑或者與敏感設(shè)備的聯(lián)系。從電路的觀點(diǎn)看，屏蔽體起著避免或減少干擾源與敏感設(shè)備之間的分布電容的耦合
電場屏蔽的設(shè)計(jì)原則：
電場屏蔽可使用任何金屬，對金屬的厚度沒有嚴(yán)格要求，只要有足夠的強(qiáng)度即可以。屏蔽體要盡量靠近需要屏蔽的電路、元件，PCB 布線，屏蔽體要采用良好的接地。
屏蔽效果的好壞與屏蔽體的形狀有最直接的關(guān)系，屏蔽體如果能夠做成全封閉的金屬盒最好，但在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體的情況而定。
對于低頻電場屏蔽通常采用單點(diǎn)接地就可以了，例如開關(guān)變壓器、PFC 電感等。而高頻電場屏蔽就需要保證接地點(diǎn)的低阻抗，通常采用多點(diǎn)接地，例如：主芯片散熱片的屏蔽，
硅高頻頭芯片的屏蔽等。多點(diǎn)接地可以減小接地阻抗，使屏蔽體與地之間形成等電位體。
2.3、磁場屏蔽
磁場屏蔽可分低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽兩類。任何載流導(dǎo)體或線圈周圍都會(huì)生磁場，磁場隨導(dǎo)體電流的變化而變化，這種變化的磁場常對周圍的電子線路或敏感器件造成干擾，強(qiáng)信號(hào)環(huán)路易形成磁場輻射，弱信號(hào)環(huán)路易受周圍交變磁場的干擾。
2.3.1、低頻磁場的屏蔽原理：
利用鐵氧體材料、坡莫合金、硅鋼片的高磁導(dǎo)率特性對干擾磁場進(jìn)行磁場分流。磁導(dǎo)率越大、磁阻就越小，磁通主要選擇通過高磁導(dǎo)率材料。如果磁場中存在高磁導(dǎo)率的磁場通路，則磁通相對通過周圍空氣的部分就大為減小，使得周圍空間的磁場干擾也同時(shí)大為減小，客觀上起到了磁場屏蔽作用。
低頻磁場屏蔽示意圖
2.3.2、高頻磁場的屏蔽原理：
高頻磁場屏蔽的原理：是屏蔽體利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的渦流反磁場對原干擾磁場的排斥作用來達(dá)到屏蔽目的。屏蔽材料采用是低電阻率的良好導(dǎo)體，如銅、銅鍍銀等。
由法拉第電磁感應(yīng)定律，閉合回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢等于穿過該回路磁通量的變化率。感應(yīng)電勢伴生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通要阻礙原來磁通的變化，與原來的磁通方向相反，即反磁場。
高頻磁場屏蔽示意圖
磁場屏蔽的設(shè)計(jì)原則：
對于低頻磁場屏蔽采用高磁導(dǎo)率材料的選擇非常重要，磁導(dǎo)率會(huì)隨外界磁場強(qiáng)度的變化而變。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度較低時(shí)，磁導(dǎo)率會(huì)隨磁場強(qiáng)度的增加而升高，而當(dāng)外加的磁場強(qiáng)度超過某限值時(shí)，磁導(dǎo)率就會(huì)急劇下降，此時(shí)磁導(dǎo)材料發(fā)生了磁飽和，也意味著該材料同時(shí)失去了磁屏蔽性能。磁導(dǎo)率越高，越容易飽和，所以選擇具有足夠磁導(dǎo)率和飽和特性的磁導(dǎo)材料是低頻磁場屏蔽的關(guān)鍵。高頻磁場的屏蔽材料需要用良導(dǎo)體，以減小渦流阻抗，減小發(fā)熱和損耗。同時(shí)，要盡量避免在垂直于渦流的方向上有縫隙，以免阻礙渦流電流的流動(dòng)，影響屏蔽效能。由于高頻電流的集膚效應(yīng)，高頻屏蔽盒無需太厚。
此外，屏蔽體是否接地不影響屏蔽效果，但由于電場屏蔽必須接地，故若將屏蔽體接地，就同時(shí)具有了電場屏蔽和高頻磁場屏蔽的雙重作用。
2.4、電磁場屏蔽
電磁場屏蔽分為近場屏蔽和遠(yuǎn)場屏蔽。對于近場，若輻射源為高電壓小電流，主要考慮的是電場干擾；若輻射源為低電壓大電流，主要考慮磁場干擾。在遠(yuǎn)場中，電場與磁場方向相互垂直，但相位相同，以電磁波的形式在空間向四方輻射能量。電磁波屏蔽主要是：利用電磁波通過金屬等屏蔽材料時(shí)產(chǎn)生的入射損耗和反射損耗，來衰減電磁波的能量。低頻電磁波的大量衰減有賴于反射損耗，而高頻時(shí)的衰減則主要是吸收損耗的作用。屏蔽材料的選擇對電磁場屏蔽效能的影響非常重要，有些金屬對電磁波的吸收損耗很大，如鎳鋼合金、坡莫合金，但均價(jià)格昂貴。用任何金屬，金屬網(wǎng)與金屬板相比，屏蔽效能差很多，在高頻時(shí)更為明顯。當(dāng)需要采用金屬網(wǎng)屏蔽時(shí)，常采用雙層或多層金屬網(wǎng)屏蔽方式。
