接地设计规范和指南.doc

接地设计规范和指南目 录第一章 概述41.1 “地”的定义41.2 “接地”的分类及目的41.2.1 接“系统基准地”41.2.2 接“静电防护与屏蔽地”41.2.3 接“大地”51.3 接地设计的基本原则51.4 各种地相连的六种情况51.5 静电防护与屏蔽地61.5.1功能单板静电防护与屏蔽地的设计61.5.2 后背板静电防护与屏蔽地的设计7第二章 设备的接地设计82.1 立式大机架设备的接地设计82.1.1 多层机框的接地82.1.2 设备接大地82.2 台式设备的接地设计92.3 射频设备的接地设计112.3.1 接地要求112.3.2 射频设备的接地设计112.3.3 射频设备天馈系统的接地设计112.4 监控设备的接地设计122.4.1 监控设备的特殊性及其接地要求122.4.2 模拟量输入电路122.4.3 开关量输入电路142.4.4 开关量输出电路142.4.5 视（音）频模拟电路152.4.6 监控设备接大地152.5 浮地设备的接地设计152.5.1 浮地的基本概念152.5.2 浮地设备的特殊问题162.5.3 浮地设备的接地设计162.5.4设计案例172.5.4.1 问题描述和原因分析172.5.4.2 设计改进和实验结果17第三章 PCB的接地设计183.1 共模干扰、信号串扰和辐射183.1.1 共模干扰183.1.2 串扰193.1.3 辐射与干扰193.2 PCB接地设计原则203.2.1 确定高di/dt电路203.2.2 确定敏感电路203.2.3 最小化地电感和信号回路203.2.4 地层分割和地层不分割的合理应用213.2.5 接口地保持“干净”，使噪声无法通过耦合出入系统213.2.6 电路合理分区，控制不同模块之间的共模电流213.2.7贯彻系统的接地方案213.3 双面板的接地设计213.3.1 梳形电源、地结构223.3.2 栅格形地结构223.4 多层板的接地设计233.4.1 多层板的好处233.4.2 信号回路233.4.2.1 信号回流路径233.4.2.2 回流分布243.4.2.3 信号回路的构成253.4.3 参考平面被分割的影响263.4.3.1 参考平面分割或开槽263.4.3.2 时钟信号走在地平面上263.4.3.3 参考平面上通孔的隔离盘尺寸过大273.4.4 参考平面的设计283.4.4.1 数字电路与模拟电路之间没有信号联系283.4.4.2 数字电路与模拟电路之间联系的信号线较少且集中293.4.4.3 数字电路与模拟电路之间联系的信号线较多且难以集中在一块323.4.5 后背板的接地设计323.4.6 PCB的叠层设计323.4.6.1 PCB的叠层设计的原则323.4.6.2 PCB的叠层设计举例333.4.7 地平面的处理353.5 有金属外壳接插件的印制板的接地设计373.6 PCB的布局设计373.6.1 混合电路的分区383.6.2 数字电路的分区383.6.3 高频高速电路和敏感电路的布局393.6.4 保护器件的布局393.6.5 去耦电容的放置393.6.6 与后背板相连的插座上地线插针的设计393.7 PCB的布线设计403.7.1 3W原则403.7.2 保护线403.7.3 高频高速信号走线413.7.4 敏感信号信号走线413.7.5 I/O信号走线413.7.6 金属壳体的高频高速器件413.8 设计案例413.8.1 问题描述413.8.2 原因分析423.8.3 改进措施423.8.4 试验结果42第四章 元器件的接地设计434.1 机壳上的元器件的接地设计434.2 功能单板上元器件的接地设计434.3 后背板上元器件的接地设计444.4 金属部件和解插件的接地设计44第五章 线缆的接地设计455.1 信号电缆的类型455.1.1 双绞线455.1.2 同轴电缆455.1.3 带状电缆455.2 信号电缆线的接地设计455.2.1 屏蔽双绞线的接地465.2.2 同轴电缆的接地465.2.3 带状电缆的接地46第六章 搭接476.1 搭接及其目的476.2 搭接的方式与方法476.2.1 搭接的方式476.2.2 搭接的方法486.2.2.1 直接搭接的方法486.2.2.2 间接搭接的方法486.3 搭接的要求和处理49第一章 概述1.1 “地”的定义 大地地球 工作地信号回路的电位基准点（直流电源的负极或零伏点），在单板上可分为数字地GNDD与模拟地GNDA。数字地连接数字元器件接地端，模拟地连接模拟元器件接端。 -48V电源地 -48V电源正极 保护地连接雷击浪涌过压保护元器件接地端形成的地线。 静电防护与屏蔽地连接ESD防护器件接地端、接插件金属外壳和屏蔽装置形成的地线。 交流保护地低压变压器中性点接地端引出的地线。 防雷地连接建筑物防雷接闪器或铁塔避雷针到接地网的地线。1.2 “接地”的分类及目的1.2.1 接“系统基准地” 单板、部件内部各部分电路的信号返回线与电位基准点之间建立良好的连接，其目的是为系统各部分提供公共的参考电平。1.2.2 接“静电防护与屏蔽地” ESD防护器件接地端、具有金属外壳的元器件的金属外壳、屏蔽装置接到静电防护与屏蔽地，其目的是为ESD电流提供一个低阻抗的泄放通道、确保屏蔽装置的屏蔽效果。1.2.3 接“大地” 安全接大地电子设备的金属外壳与大地相连接，其目的是防止当事故状态时金属外壳上出现过高的对地电压而危机操作人员的安全，在非事故状态使静电电流泄放到地； 保护接大地保护地与大地相连接，其目的是为大电流提供一个泄放通道，使大电流分流，保护电路免遭损害； 工作接大地工作地与大地相连接，其目的是为通讯系统提供稳定的基准电位。1.3 接地设计的基本原则接地设计的基本原则是电位相同、内部电路不互相干扰、抵御外来干扰。各种地电位相同使不同性质的电路有一个统一的基准电位，保证电路功能的顺利实现。电位相同要求不同的地就近相连。相互干扰是指较大的泄放电流进入较细的地线回路（例如保护地电流进入工作地回路），从而引起过流、地线上电位波动过大或无用信号的耦合（例如高速逻辑电路对模拟电路的开关干扰）等等，内部电路不互相干扰要求不同的地在较远处相连。所以，电位相同和不互相干扰是一对矛盾的双方，在何处相连应考虑哪一方占主导地位。当设备受到的外来干扰（例如：ESD干扰，EFT干扰，辐射干扰）较大时，提高设备对外来干扰的抵御能力上升为主要矛盾，这时，各种地应合并为大面积接地。1.4 各种地相连的六种情况（1）电位基准一致性要求严格而互相之间干扰很小各种地就近相连，例如模数转换芯片的数字地和模拟地需直接相连。（2）电位基准一致性要求较严格而互相之间有干扰各种接地平面除了在印制板插座处相连外，还要在不同电路的互连信号线集中的地方相连（桥接），以减少信号回路面积。例如模拟地平面和数字地平面的相连。（3）电位基准一致性要求不严格而互相之间有较大干扰各种接地母线在后背板处相连。例如-48V地与工作地在后背板上（靠近-48V电源输入插座位置）相连。（4）电位基准一致性无要求而互相之间有大干扰各种接地母线在接地汇集线或机壳接地螺栓处相连。例如工作地与保护地在接地汇集线或机壳接地螺栓处相连。（5）印制板接有金属外壳接插件，在接插件附近各种地（保护地除外）应合并为大面积接地以增大其静电容量。例如9芯插座（RS232接口）附近各种地（保护地除外）应合并为大面积接地。（6）印制板上不同电路互连的信号线很多，应遵循“分区不分割”的原则。例如，互连信号线很多的模拟电路和数字电路应分区布局和布线，但共用一个完整的不分割的接地平面。1.5 静电防护与屏蔽地1.5.1功能单板静电防护与屏蔽地的设计功能单板静电防护与屏蔽地GNDE的设计图见1-1。在PCB每个层面的3个边缘设置静电防护与屏蔽地GNDE母线，宽度35mm,每隔1013mm用过孔连通，在靠近小面板的一边，GNDE母线断开5mm。GNDE母线与内部电路和工作地隔离23mm。ESD防护器件的接地端、按钮和接插件的金属外壳应尽可能与GNDE母线相连，见图1-1。图1-1 功能单板静电防护与屏蔽地母线的设计1.5.2 后背板静电防护与屏蔽地的设计后背板静电防护与屏蔽地GNDE的设计见图1-2。在后背板的内层面（后背板与机壳结合的层面）4周和外层面4周设置一块环型区域作为静电防护与屏蔽地GNDE母线。宽度为15mm20mm，并用适量的过孔连通，内层面环型区域与机壳结合的部分不涂绿油，外层面固定螺丝处不涂绿油，固定螺丝孔要金属化，借助于固定螺丝保证静电防护与屏蔽地与机壳良好搭接。在后背板上，ESD防护器件的接地端和接插件的金属外壳与GNDE母线相连。功能单板的GNDE母线通过插座的最上排插针和最下插针与后背板的GNDE母线相连。后背板应设置完整的一层作为工作地，工作地层4周应与静电防护与屏蔽地重叠5mm以上，以提高设备后背板的屏蔽效果。但工作地应与固定螺丝孔边缘相距5mm以上。图1-2 后背板静电防护与屏蔽地母线的设置第二章 设备的接地设计2.1 立式大机架设备的接地设计2.1.1 多层机框的接地 一个设备的多层机框，各机框的部件的工作地和保护地应分别引线接到相应的汇流条上而不能靠导轨条、绞链、螺丝等部件去接地。2.1.2 设备接大地（1）工作地、保护地、-48V地连接到机壳接地螺栓，再由机壳接地螺栓用接地线引至接地桩或接地汇集线上，见图2-1。如果-48V电源与5V或12V电源有共地的要求（如用户板），-48V地与工作地在后背板上（靠近-48V电源输入插座位置）再相连。如果机房接地汇集线和-48V供电线在地面走线，则接地螺栓应设置在机架下方。或者机架上下方均设置接地螺栓，以方便灵活接线。（2）对于有多个机架的设备，各个机架的工作地、保护地和机壳接地分别用接地线引到接地桩或接地汇集线上。（3）对于三相五线制交流供电的设备，机壳要接交流保护地线。（4）对于无法接大地的载体，如飞机、轮船、汽车，可把其机身的金属壳体当成大地，设备的工作地、保护地和机壳接地直接接到其金属壳体上。（5）接地线材料为多股铜线，对于安装在移动通信基站的设备，接地线截面积35mm,其他设备，接地线截面积16mm。接地线两端应接铜鼻子。（6）设备机壳接地螺栓应足够大（8M），位置要靠近接地汇集线，接地螺栓处应有明显的接地标志。（7）工作地、保护地、-48V地和设备机壳接地以及建筑防雷接地共用一组接地体，称为联合接地，以避免雷击时出现的地电位反击效应。2.2 台式设备的接地设计（1）塑料外壳，220VAC三芯插头供电典型的设备电脑显示器、小型示波器等。220VAC电源通过开关电源或变压器整流稳压电源变换称为直流电源给设备电路供电。三芯插头的接地端接开关电源的地、屏蔽壳和变压器的屏蔽壳，内部电路地处于悬浮状态或者一点接三芯插头的接地端，见图2-2和图2-3.塑料外壳的内层如果镀涂导电屏蔽层，也要接内部电路地。与其他设备互联时，电路工作地作为接口接地，其输出接口芯线通常串接1K电阻防止对地短路，输入接口通常带有隔音电容。（2）金属外壳，220VAC三芯插头供电典型的设备家用PC主机、仪器仪表等。220VAC电源通过开关电源或变压器整流稳压电源变换成为直流电源给设备电路供电。三芯插头接地端子引入设备后就近接在外壳上，内部电路地处于悬浮状态或者一点或多点接三芯插头的接地端，见图2-4和图2-5。与其他设备互联时，电路工作地作为接口接地，输出接口芯线通常串接1K电阻防止对地短路或使用变压器隔离输出，输入接口通常带有隔直电容或变压器。图2-1 立式大机架设备的接地设计图2-2 塑料外壳，内部电路接地处于悬浮状态图2-3 塑料外壳，内部电路地一点接三芯插头的接地端图2-4 金属外壳，内部电路接地处于悬浮状态图2-5 金属外壳，内部电路地一点接三芯插头的接地端2.3 射频设备的接地设计2.3.1 接地要求 射频电路工作频率高，容易引起无用信号的耦合，要求隔离不用频率的电路，接地引线短，分布参数小，地电位稳定。2.3.2 射频设备的接地设计（1）射频设备内，由于相互隔离的要求比较严，大多使用金属外壳封装，金属外壳最好整体浇注成型，电路的地线与金属外壳紧密相连，即外壳作为工作地使用。（2）为防止接地环路过大，接地点的间距应小于最高频率波长的1/100，至少小于最高频率波长的1/20。（3）射频设备通过螺钉直接和机壳连接，并保证搭接的直流电阻不大于2.5m。（4）机壳通过接地线和大地连接。2.3.3 射频设备天馈系统的接地设计（1）天馈系统一般使用7/8或1/2英寸射频电缆和基站或附属设备相连，根据使用射频电缆的类型，对应使用相应的接地卡和防雷地通过螺钉就近连接，为保证接地的可靠性，每一个接地卡的接地线最好对应一个安装孔。（2）铁塔上架设的波导馈线、同轴电缆金属外护层应分别在上、下端及进入机房入口处外侧就近接地，当馈线及同轴电缆长度大于60m时，其屏蔽层宜在它的中间部位增加一个接地连接点，室外走线架始末两端均应坐接地连接。（3）城市内孤立的高大建筑物或建在郊区及山区，地处中雷区（年平均雷暴日数在2540天以内的地区）以上的无线通信局（站），当馈线采用同轴电缆时，应在同轴电缆引进机房入口处安装标称放电电流不小于5kA的同轴浪涌保护器，同轴浪涌保护器接地端子的接地引线应从天馈线入口处外侧的接地线、避雷带或地网引接。（4）基站或附属设备的接地电阻5。2.4 监控设备的接地设计2.4.1 监控设备的特殊性及其接地要求监控设备可分为三类：现场监控模块、监控中心设备、视音频设备。各模块单元由各种电路组成，有模拟电路、数字电路、电源电路，其中，模拟电路有模拟量输入电路、视频接口电路、音频接口电路；数字电路有开关量接口电路、单片机电路、各种通讯接口电路。监控设备具有下列特殊性：（1）监控设备接地设计和工程接地形式的多样化。（2）监控设备通过I/O通道监控被监控设备，而各种工业测量和监控现场电磁环境十分复杂，所以监控设备的I/O通道极易受到共模干扰影响，同时，被监控设备也可能受到干扰而破坏其工作状态。（3）被监控对象可能存在高电压，对监控设备存在威胁。监控设备接地要求设计如下：（1）监控系统应能监控具有不同接地要求的多种设备，任何监控点的引入都不能破坏被监控设备的接地系统。（2）监控模块的冰箱外壳应接地良好，并具有抵抗和消除噪声干扰的能力。（3）监控系统应有很好的电气隔离性能，不得因监控系统而降低被监控设备的交直流隔离度、直流供电与系统的隔离度。（4）监控系统应具有良好的电磁兼容性，被监控设备处于任何工作状态下，监控系统应能正常工作；同时监控设备本身不应产生影响被监控设备正常工作的电磁干扰。2.4.2 模拟量输入电路（1）模拟量输入电路示意图见图2-6。各路输入的模拟信号在PCB上多路装换开关前共地，形成模拟地GNDA，GNDA浮地，不与大地相连。若被监控设备间不能共地，应有如下电位隔离或共模干扰滤波措施：1） 采用多个现场监控模块分别测量被监控设备，使被监控设备模拟信号不共地；2） 在被监控设备或传感器与现场监控模块间加入隔离电量变送器；3） 在被监控设备或传感器现场监控模块间加入共模扼流圈，抑制高频共模干扰。图2-6 模拟量输入电路示意图（2）模拟信号经A/D转换后，A/D转换器的数字地引脚应与模拟地引脚相连，数字信号通过光耦CPU电路隔离，隔离抗电强度满足加强绝缘要求；并通过DC-DC模块与主电源部分进行隔离，隔离抗电强度满足基本绝缘要求，保证模拟量电路与其他电路的隔离能力。基本绝缘、加强绝缘的爬电距离、电气间隙和抗电强度见表2-1。表2-1 监控产品各工作电压要求的基本绝缘、加强绝缘的爬电距离和电气间隙2.4.3 开关量输入电路 开关量输入电路示意图见图2-7。各路输入的开关量信号分别接到光耦检测电路，各路开关量的地分别隔离，并分别通过光耦与CPU电路部分进行隔离，隔离抗电强度应满足加强绝缘要求。并设计足够的爬电距离和电气间隙，保证开关量电路与其他电路的隔离能力。绝缘距离设计参见表2-1。图2-7 开关量输入电路示意图2.4.4 开关量输出电路 开关量输出电路示意图见图2-8。各开关量分别通过继电器输出，各路开关量的地也分别隔离，并通过继电器及光耦与CPU电路部分电位隔离，隔离抗电强度满足加强绝缘要求：通过DC-DC模块与主电源部分电位隔离，隔离抗电强度满足基本绝缘要求。并设计足够的爬电距离和电气间隙，保证开关量输出电路与各电位（包括保护地）间的隔离能力。绝缘距离设计参见表2-1。图2-8 开关量输出电路示意图2.4.5 视（音）频模拟电路（1）视（音）频模拟电路采用多点接地方式连接基准单位，并通过接地桥与CPU电路数字地相接； （2）视（音）频模拟电路的基准电位可设计跳线或可拆卸接地簧片实现接大地或不接大地。现在应用优先考虑良好接大地，以减少对外骚扰并提高抗扰性，除非现场存在强烈地环路干扰。2.4.6 监控设备接大地（1）各设备应在机房连接地汇集线，与大地的接地电阻要求小于4； （2）设备信号及通讯线应采用屏蔽电缆，接地情况见第五章 线缆接地； （3）设备配置的防雷器应就近保护地安装； （4）设备接地电缆额定电流不低于设备额定电流的二倍，并采用铜鼻子与机房的接地汇集线连接； （5）对于图像采集系统，由于图像采集设备已接地，摄像机的供电电源中保护地通常不接，以免形成地环路干扰视频效果。 （6）由于计算机、图像设备、传输交换设备等均直接接地，系统集成项目设备间一般存在地环路，若发现不可接受的干扰，可采用隔离、滤波、浮地、电容接地等技术措施解决，但要注意不能降低系统的性能、安全性和防雷能力。2.5 浮地设备的接地设计2.5.1 浮地的基本概念对电子通讯设备而言，浮地是指设备地线系统或电路的地线在电气上与大地绝缘，相对于大地是悬浮的。浮地有下列几种应用类型。（1）无法与大地相连接的场合，如壁挂式的小型设备、台式小型终端设备。（2）在磁耦合而没有电气连接的电路中（如变压器耦合的内部电路）。（3）为避免接地环路形成的浮地电路，如通过变压器、光电耦合器隔离形成的电路。2.5.2 浮地设备的特殊问题浮点设备会出现一些特殊问题：（1）易产生静电荷的积累，引起静电放电。（2）在遭受雷击浪涌信号干扰时，由于不能泄放到大地，容易出现故障甚至损坏设备。2.5.3 浮地设备的接地设计（1）基本原则 由于浮点设备或电路不与大地连接，如何提高设备的ESD抗扰性和雷击浪涌抗扰性就成为设计的关键。基本原则是将接口与内部电路实现有效的隔离。（2）电路划分和布局 把电路划分为接口电路和内部电路，使接口电路和内部电路布局在不同的区域，使敏感器件远离接口器件。（3）地线设置 1）由于设备有借口，不可避免地会引入干扰信号，应在靠近接口的局部区域设置保护地平面，接口浪涌保护器件和ESD防护器件的接地脚接到保护地平面上，由保护地平面吸收干扰信号。 2）为了给内部电路提供公共的参考电平，应设置工作地平面，并遵循“分区不分割”的原则，不同的电路分区安排，工作地平面不分割保持完整，减少地电位的波动，提高内部电路的抗干扰能力。 （4）有效隔离 由于接口保护器件没有接大地，受到干扰时，保护地平面电位波动很大。工作地平面应与保护地平面隔离足够距离。以避免干扰信号串入。 （5）信号耦合 接口电路与内部电路通过接口变压器或光电耦合器实现信号的耦合。 （6）内部电路的抗干扰措施 1）恰当的布局和布线使信号线尽可能短。将敏感的元器件（一般是信号处理芯片、控制芯片、FPGA等）尽量布局在离接口较远的地方； 2）恰当的层面安排使信号回路面积可能小；3）敏感信号线（如复位信号线和低电平信号线）尽可能在信号里层走线，且应该处于相邻层厚度最小的层上，领近忧完整的参考平面；4）敏感器件之间的较长的电源线或信号线宜每隔一定间隔与地线的位置对调。以抵消干扰信号的影响。5）在元器件的电源引脚和接地引脚之间安装高频旁路电容和10F的钽电容。2.5.4设计案例2.5.4.1 问题描述和原因分析 某通讯设备，现场无法接大地，是典型的浮地设备。该设备单板上有RS232接口、10Base-T接口和E1接口，初期设计，接口电路采用了保护器件，但是，ESD防护试验和雷击浪涌保护试验均通不过。 分析初期设计的PCB图，由于该设备是浮地设备，内部电路与接口电路没有实现有效的隔离，静电干扰信号和浪涌干扰信号引起电脑故障。2.5.4.2 设计改进和实验结果 对原设计进行改进，单板上接口电路和内部电路实现了有效的隔离，分别设置了保护地平面和工作地平面，工作地与保护地隔离17mm，由接口变压器实现信号的耦合，见图2-9。改进后，该设备的各种接口顺利通过了公司规定的ESD防护试验和雷击浪涌保护试验。图2-9 浮地设备的接地设计示意图第三章 PCB的接地设计3.1 共模干扰、信号串扰和辐射PCB中，理想的工作地是电路参考点的等电位平面。但在实际的设计中，工作地被作为信号电流的低阻抗回路。这样就会产生常遇到的三个问题：共模干扰、信号串扰和辐射。3.1.1 共模干扰工作地（地线或地平面）具有一定的阻抗，电流流经时会产生压降。流经工作地的电流主要来自两个方面，一是信号的回流；另一个是信号状态发生改变时器件电源的瞬态电流。典型的信号和电源共地逻辑电路PCB上共模电压的产生见图3-1。其中，Vnoise是电流流经工作地时产生的共模噪声电压，该电压引起地电位的波动造成共模干扰。图3-1 PCB上共模噪声电压的产生3.1.2 串扰PCB上相邻的印制线之间存在互感和耦合电容，当信号电压或电流随时间快速变化时，会对周围的信号产生不可忽视的串扰。见图3-2，图3-2（a）是串扰的等效电路。图3-2（b）是集总参数下串扰（Crosstalk）与线间距D和印制线离参考平面高度H之间的关系。参考平面是与信号线邻进的平面，可以是地平面也可以是电源平面。图3-2 串扰3.1.3 辐射与干扰PCB上的快速变化的电流回路，其作用相当于小回路天线，它会向外进行电磁场辐射。图3-3（a）属于差模辐射方式。辐射的电场强度与回路中电流的大小Io、回路的面积A、电流频率f的平方成正比。同理，PCB上的信号回路（小回路天线）也会接收周围快速变化的电磁场，而产生干扰电流。如图3-3（b），当出入PCB的电缆上存在共模电流时，会产生共模辐射。辐射的电场强度与共模电流Icm的大小、共模电流的频率f、线的长度L成正比。同时，它也会对PCB上的电路产生共模干扰。图3-3 辐射共模干扰、串扰和辐射干扰都与PCB的接地设计有密切的关系。一个好的设计可以有效控制信号回路的阻抗和回路面积，减小公共阻抗耦合，降低干扰电流的幅度。3.2 PCB接地设计原则3.2.1 确定高di/dt电路 PCB设计开始时，首先要确定电路中可能的干扰源。一般是高di/dt电路，如：时钟、总线缓冲器/驱动器、高功率振荡器。在设计时注意隔离和屏蔽。3.2.2 确定敏感电路确定电路中易受干扰的敏感电路，如：低电平模拟电路、复位电路、高速数据和时钟。在设计时注意隔离和保护。3.2.3 最小化地电感和信号回路信号线应该尽量短，信号回路面积尽量小。对速度较高的电路应采用有地平面的多层板。关键电路包括器件和走线，应尽量远离板的边缘。板的边缘存在较强的干扰场。3.2.4 地层分割和地层不分割的合理应用对于混合电路，若数字地与模拟地分割，不会出现或能够很好解决信号跨越和信号回路的问题，可以采用分割。否则，建议采用“分区但不分割”的方法。即：布局和布线时严格区分数字与模拟区域，但地层并不分割开。避免信号跨越而形成大的信号回路。分割地和电源平面时，特别留意关键网络的信号回路。3.2.5 接口地保持“干净”，使噪声无法通过耦合出入系统出入PCB板信号，特别是通过电缆连接的信号易将噪声耦合出入系统，注意保持I/O地不受到共模干扰。接口部分的地尽量采用平面。3.2.6 电路合理分区，控制不同模块之间的共模电流对于纯数字电路，应该注意按电路工作速率高、中、低以及I/O进行分区。以减少电路模块之间的共模电流。3.2.7贯彻系统的接地方案PCB上的接地设计，应该贯彻设备系统的总体接地方案。特别是单板、背板，以及与机框机架需要搭接的地方，PCB上应该具有系统要求的安装孔、喷锡或采用其他镀层的导电接触面。3.3 双面板的接地设计在进行双面板设计时，首先要构思好电源和地线的安排，然后才确定布局。布线时最安全的方法是，从地线和电源开始，接着布需要与地非常靠近的关键网络。电源和地线有以下两种结构：3.3.1 梳形电源、地结构梳形（Comb）也称指形（Finger）结构，见图3-4，地线和电源线由PCB板的一边引出，形状象梳子，由图可以看出信号的回流都必须折回根部，回路面积大。所以，任何电路都不宜直接采用梳形的地结构。梳形电源、地结构的唯一优点是由于电源、地都在PCB的同一层，有较完整的布线空间。缺点是信号的回路面积大。但只要对较重要的信号加以地保护，布线完成之后将空的地方都敷上地铜皮，并用多个过孔将两层的地连接在一起，这个缺陷可以得到弥补。这种结构只适用于低速电路、PCB上信号的走向较单一、而且走线密度较低的情况。图3-4 梳形电源、地结构3.3.2 栅格形地结构栅格形地结构，见图3-5，电源和地分别从PCB的顶层和底层，以正交方式引出，在电源和地交叉处放置去耦电容，电容的两端分别接电源和地。与梳形比较，栅格形地结构信号回路较小。栅格形地结构适用于低速的CMOS和普通的TTL电路，但应该注意对较高速的信号加以足够的地保护，使回路面积和回流路径的电感达到最小。图3-5 栅格形电源、地结构3.4 多层板的接地设计3.4.1 多层板的好处对于RF电路和高数字电路，或者器件的组装密度较高的设计，必须采用多层板（层数大于等于4），电源和地采用平面的形式。其好处有三个：（1）为信号提供较稳定的参考电平和低电感的信号回路，使所有信号线具有确定的阻抗值；（2）为电路提供低电感的工作电源供电；（3）可以控制信号间的串扰。3.4.2 信号回路3.4.2.1 信号回流路径当信号频率很低时，信号的回流主要沿最低电阻路径，即几何最短路径，见图3-6（a），图中的虚线表示信号的回流。当信号达到一定频率（F1KHz）时，信号的回流集中沿最低电感路径，见图3-6（b）。返回电流主要沿印制线的下方回流。图中的虚线表示信号的回流。图3-6 信号回流路径3.4.2.2 回流分布 信号频率较高时回流分布的近视计算公式为：（公式插图）其中：Io为总的信号电流，单位为A； H为信号线离地平面的高度； D为离信号线中心的距离。回流分布如图3-7.根据信号的回流分布，能够更好地理解布线中的3W原则。图3-7 信号回流在其地平面上的电流分布3.4.2.3 信号回路的构成频率较高时，不论信号紧靠的是电源平面还是地平面，信号的返回电流总是沿最近的参考平面回流。根据信号下的平面是电源网络或地网络平面，信号是由底到高，还是从高到低，回路的构成情况有四种情况。以下例举参考平面为电源网的两种情况:(1)信号线的参考平面是电源平面，信号驱动由低到高图3-8 信号回路的构成如图3-8（a），当驱动器由低到高时，传输线在驱动端通过低阻抗与电源平面连接，电流从电源经驱动器流向初始状态为低电平的传输线，电流沿传输线不断地对传输线与电源平面之间的电容充电，使传输线上的电平达到高电平。在此过程中电流从电源经驱动器、传输线、传输线和电源平面的分布电容，回到电源平面，构成了完整的回路。（2）信号线的参考平面是电源，信号驱动由高到低 如图3-8（b），当驱动器由高到低时，在电源平面上的传输线初始为高电平，在驱动端通过低阻抗将传输线与地连接，电流从传输线经驱动器流向在电源平面之下的地网络平面，当传输线上的电流流向驱动器时，在传输线的参考平面电源平面上就有反方向的回流。在此过程中电流从传输线经驱动器流向在电源平面之下的地网络平面，通过离驱动器最近的电容流向电源平面，再通过电源平面和传输线的分布电容，回到传输线，构成完整的回路。这个过程本质上是因为传输线与参考平面Vdd电源平面之间存在分布电容等，当传输线由于驱动器的作用出现电位变化时（由低到高或由高到低），分布电容就会放电或充电，放电电流或充电电流流经参考平面时，就会引起参考平面电位的波动。所以，我们可以得出以下结论： 1）回路的构成上，电源平面与地网络平面同等重要；2）滤波电容不仅起平滑电源、为电源去耦的作用。它还在信号回路中起桥梁作用。应该纠正所有信号只能从地回流、电源平面不重要的片面观点；3.4.3 参考平面被分割的影响3.4.3.1 参考平面分割或开槽 参考平面被分割或者开槽时，将使从上面跨越的信号的回路面积增大，且信号线特征阻抗不连续，阻抗不连续是指印制线上相邻的小区间出现阻抗值的变化。如图3-9（a）中跨越低槽的信号Signal1和Signal2的回流必须沿槽绕行，除阻抗不连续，信号的回路面积增大之外，由于两个信号有公共的一段回流路径，串扰将会增大。另外，开槽处会产生较大的EMI。 为了便于更好地理解分割的参考平面给信号带来的影响，我们可以用一根屏蔽电缆来近视其效果，如图3-9（b），电缆的屏蔽层被割掉一段而用一段导线将屏蔽层连接。导线的长度类似回路绕行的距离。3.4.3.2 时钟信号走在地平面上 如图3-10，时钟信号走在地平面上，会带来以下问题：若该地网络平面相邻的不是另一地平面，时钟信号线离地平面较远，中间还有信号层，造成时钟信号线本身的阻抗难以控制；由于时钟信号线走在地网络平面上会造成平面被分割，使分割带之上的信号回路必须绕分割带回流，回路面积增大。当分割带之上的信号线较多时，累积的大信号回路产生的EMI将不可忽视。3.4.3.3 参考平面上通孔的隔离盘尺寸过大 如图3-11，在参考平面上，若通孔的隔离盘尺寸过大，在焊盘较集中的地方会出现参考平面的局部断裂，使该区域的回流信号绕行，增大回路面积。若隔离盘的尺寸适中，就可避免断裂。所以，要避免在参考平面开槽，要避免在参考平面走线，要避免在参考平面上通孔隔离盘的尺寸过大，要尽可能保证参考平面的完整不分割，尤其是地平面。图3-9 参考平面的分割对信号的影响图3-10 高速时钟信号走在地平面上产生的影响图3-11 合理设计隔离盘3.4.4 参考平面的设计在实际的设计中，完全禁止平面分割是不现实和不经济的。例如：（1）由于芯片的低功耗化和单板功能的复杂化，有时一个PCB板上会有三种以上的工作电源，安排每种电源一层是不合适的，可把几种不用的电源安排在同一层面上，这样，一个层面就被不同的电源网络所分割。（2）为了避免不同的电路之间的干扰，不同的电路设置不同的地平面，这样，一个层面就被不同的地平面所分割。参考平面的设计可分为3种情况：3.4.4.1 数字电路与模拟电路之间没有信号联系布局时将数字电路和模拟电路分开，器件排列尽量紧凑，布线时避免数字电路的信号跨越模拟电路区域，避免模拟电路的信号跨越数字电路区域。两个区域隔离足够的距离。数字地与模拟地分割，然后在插座处单点连接，见图3-12.这样能最大限度地抑制数字电路对模拟电路的干扰。图3-12 模拟地与数字地分割，在插座处单点连接3.4.4.2 数字电路与模拟电路之间联系的信号线较少且集中布局时将数字电路和模拟电路分开，器件排列尽量紧凑，布线时避免数字电路内部的信号跨越模拟电路区域，避免模拟电路内部的信号跨越数字电路区域。两个区域隔离足够的距离。为了抑制数字电路对模拟电路的干扰，数字地与模拟地分割，在插座处单点连接。但是，由于数字电路与模拟电路之间有联系，如果仅仅在插座处单点连接，则两个电路联系的信号回路面积势必很大。所以，必须想办法减小联系的信号回路面积，一个有效的方法是“桥接”技术。“桥接”是指连接同一层面的不同地平面或电源平面，为跨越分割区的信号提供一条最短的回流通道的方法。根据跨越的具体情况有三种桥接方法：（1）不同地平面连接直接桥接 不同地平面除了在插座处单点连接外，还在重要的联系信号线跨越分割区域的地方用适当粗细的铜箔连接直接桥接，从而减小信号回路面积，见图3-13和图3-14。图3-13 直接桥接图3-14 数字地和模拟地桥接（2）同一网络隔离开的不同部分的连接跨线桥接 在被割平面上，如果某一网络被另一网络隔离开，可在另外一层（通常是信号层）用宽线把隔离开的部分连接起来，从而缩短信号的回流路径。如图3-15，红色高亮的同一网络VCC被另一网络（位于图中间位置）隔离开，通过在信号层增加连线（箭头处）把VCC网络的左右部分连接起来，使其邻近的信号回流路径缩短，回路面积减小。信号跨越分割后又回到原参考平面上。图3-15 跨线桥接（3）增加桥接电容电容桥接当信号跨越分割后回不到原参考平面上时，可以在信号跨越处增加一个（或多个）0.0u1F至1uF的电容为信号提供回路。这种用途的电容常被形象地称为Stiching Capacitor。桥接电容应尽量靠近（小于20，小于80时效果更佳）要保护的信号线，每个电容所保护的信号线不超过5根。如图3-16，电容的两端分别接平面各自对应的网咯。图3-16 增加电容桥接3.4.4.3 数字电路与模拟电路之间联系的信号线较多且难以集中在一块 采用“分区但不分割”的方法。将数字电路和模拟电路分区布局，布线时避免数字电路内部的信号跨越模拟电路区域，避免模拟电路内部的信号跨越数字电路区域。地层为一完整的层面并不分割，保证两个电路之间联系的信号有最小的信号回路。3.4.5 后背板的接地设计 对于有后背板的大型设备，在功能单板上，各种接地母线或接地平面在插座处汇合后经过后背板接到工作地（电源板的电源负极端）和工作地汇流条。保护地通过后背板接到保护地汇流条。-48V地通过后背板接到-48V地汇流条。如果-48V电源与5V或12V电源有共地的要求（如用户板），-48V地与工作地在后背板上（靠近-48V电源输入插座位置）相连。否则，-48V地汇流条与工作地汇流条在接地螺丝处相连。静电防护与屏蔽地通过固定螺丝与机壳良好搭接。3.4.6 PCB的叠层设计3.4.6.1 PCB的叠层设计的原则 PCB的叠层设计不是层的简单堆叠，地层的安排是关键，它与信号的安排和走向有密切的关系。一般应按以下原则进行叠层设计： （1）满足信号的特征阻抗要求 当PCB中的印制线需要按传输线考虑时，需要对传输线的特征阻抗进行计算和控制。图3-17（a）、（b）、（c）分别是理想传输线、有损耗传输线的等效电路和常用的表示方法。图3-17 传输线的等效电路和常用的表示方法（2）满足信号回路最小化原则 通常在PCB中设置一个或多个主信号层，主信号层是用于走高频高速信号和敏感信号的层面。对于密度很高的板，尽可能多地将信号安排在主信号层。完整的地平面应该紧邻主信号层，使高频高速信号和敏感信号有最小化的信号回路。（3）满足最小化PCB内的信号干扰内层相邻的信号层的信号线应该尽量正交（90度交叉）。尽量避免平行和斜交（45度交叉）。（4）满足对称原则 叠层设计时，应考虑铜的分布对称，以免不符合PCB厂家的层压工艺要求，出现PCB板翘曲。3.4.6.2 PCB的叠层设计举例 （1）四层板的叠层设计 四层板根据信号的安排情况有以下两种方式：1） 以TOP层作为主信号层，见图3-18（a），完整的地平面紧邻主信号层。2） 以BOTTOM层作为主信号层，见图3-18（b），完整的地平面紧邻主信号层。图3-18 四层板的叠层设计(2)六层板的叠层设计一般六层板按图3-19叠层，当PCB的器件和布线密度很高时，可以将IS1作为第一主信号层，IS2作为第二主信号层，尽量把信号线都走在这两层，将BOTTOM层预留放置滤波电容。完整的地平面紧邻第一主信号层IS1。图3-19 六层板的叠层设计（3）八层板的叠层设计 若PCB的器件和走线密度很高时，可以采用有五个信号层的八层板，如图3-20（a）。注意将IS2层没有布线而且IS3层的相应位置也没有布线的空间敷实心的地铜皮。以保证不影响IS3层信号的阻抗，而且不使压板出现翘曲。若PCB的器件速度高则可以采用图37（b）的结构，电源层紧邻地层可以降低电源噪声，完全的层对称，阻抗控制简单。图3-20 八层板的叠层设计（4）十层板的叠层设计 十层板根据阻抗的计算和电路的高频高速线的多少，可以选择图3-21（a）和（b）的结构。图3-21 十层板的叠层设计3.4.7 地平面的处理（1）电源平面紧靠地平面 当电路的工作频率很高（如：大于100MHz）时，电源平面应该紧靠地平面，这样可以最大化电源平面与地平面的电容耦合，降低电源的噪声。（2）多个地平面用过孔相连当PCB中有多个地平面时，应该在板上用较多分散的过孔将地平面连接在一起，特别是在信号集中换层的地方，以便为换层的信号提供较短回路和降低辐射。如图3-22，在平面的四周用过孔将地平面连接在一起，可以有效的降低PCB对外的辐射。图3-22 多个地平面的相连 （3）20H原则20H原则是指将电源平面比地平面的边界尺寸缩进20倍H（H为电源平面与地平面的距离）时，可以有效地减小两个平面间对外的辐射。当尺寸小10H时，辐射强度开始下降，当尺寸小20H时，辐射强度下降70%，当尺寸小100H时，辐射强度下降98%，见图3-23。图3-23 20H原则在实施20H原则时，应该优先满足信号的回路最小，信号阻抗连续。即，缩进电源平面时，若相邻的信号层在电源平面边缘有走线，可以在此范围内不考虑20H原则，确保信号不跨越，而且电源平面的边缘应该延伸出信号线位置。（4）加地平面作为隔离层 当信号层数多需要加隔离层时，宜加地平面作为隔离层，不要加电源层作为隔离层。（5）控制好平面的延伸区域 在进行电源和地平面设计时，应该控制好平面的延伸区域。避免不同类型电路的参考平面交叠，平行的带电平面之间存在电容耦合。见图3-24，模拟电源平面AnalogP和数字地平面DigitalG之间会相互耦合。见等效电路。图3-24 避免不同类型电路的参考平面交叠3.5 有金属外壳接插件的印制板的接地设计 （1）具有金属外壳的接插件，其金属外壳应与接地的机壳或底板紧密相连。 （2）印制板（双层板）在靠近接插件的部位，模拟地线、数字地线、功率地线、继电器地线、低电平电路地线、-48V地线应合并为大面积地线。（3）印制板（多层板）的模拟接地面、数字接地面、功率接地面、继电器接地面、地电平电路接地面、-48V接地面要保持完整，在靠近接插件的部位要多点相连。（4）对于有金属外壳的小型设备，印制板的地线或接地面应通过固定螺丝多点接外壳，且在靠近接插件的部位适当增加固定螺丝。其他与接插件相连的部件的接地端也应就近接外壳。3.6 PCB的布局设计布局设计是PCB接地设计的关键步骤之一，布局时应考虑电路的功能模块划分，关键信号的走向，布通率等因素。3.6.1 混合电路的分区布局时应该将数字电路和模拟电路分开，各部分内器件排列尽量紧凑，预留出足够的隔离空间。当数字电路信号流过模拟电路区域时，会对模拟电路产生干扰，见图3-25（a）。通常的做法是数字电路和模拟电路分区布置，数字部分和模拟部分单点接地。见图3-25（b），图中的“GND REF”选择在单板的紧靠插座的位置。 图 3-25 数模混合电路的接地方式3.6.2 数字电路的分区数字电路必要时应该根据速率高、中、低速、I/O电路分区。以减少高速电路对其它部分的干扰。图3-26为处理器电路的分区。图3-26 数字电路的分区3.6.3 高频高速电路和敏感电路的布局高频高速电路和敏感电路内部的布局尽量紧凑，最小化敏感信号回路。高频高速电路和敏感电路之间的布局尽量隔离，以减少高频高速电路对敏感电路的干扰。晶振与时钟分发、倍频器、驱动、串阻应尽量集中在一起，并远离高速CPU、高速信号、I/O电路、无关的敏感电路、PCB边缘。3.6.4 保护器件的布局在印制板上，雷击浪涌保护器件应尽可能靠近插座或印制板的边缘，保护地应尽可能粗、短且均匀，保护地除了与保护器件相连以外不能与其它元器件和其它地线相连，保护地与其它焊盘、走线应隔离足够距离。3.6.