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PCB設(shè)計(jì)中的接地和電壓布線注意事項(xiàng)
將電源線插入墻上插座或打開電燈開關(guān)非常容易，您可能會(huì)認(rèn)為將PCB板上的組件連接到電源或接地也很容易。說實(shí)話，PCB設(shè)計(jì)曾經(jīng)是這種情況。在信號(hào)和電源完整性不是很重要的板上，您可以將過孔放到電源或接地層中，而不必理會(huì)。
然而，根據(jù)當(dāng)今電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，管理電源分配網(wǎng)絡(luò)有很多事情，而不僅僅是在設(shè)計(jì)中添加一些過孔。您需要考慮PDN對(duì)電路板其余部分的影響，同時(shí)仍要確保設(shè)備可以使用適當(dāng)?shù)碾娫春徒拥鼐W(wǎng)。這需要您的電路板的接地和電壓布線方面的技巧，我們?cè)谶@里有一些想法可以提供幫助。
PCB板上的接地和電壓布線
盡管當(dāng)今密集的多層板普遍用于先進(jìn)的電子設(shè)備，但仍然需要便宜的兩層板。對(duì)于不需要太多電路的設(shè)備（例如玩具或其他簡(jiǎn)單的消費(fèi)類產(chǎn)品），仍然首選兩層板以減少制造時(shí)間和成本。但是，與此同時(shí)，這些電子設(shè)備的性能仍在不斷提高，這需要對(duì)電路板的供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)進(jìn)行更多的努力。
僅需使用兩層，就不會(huì)有可用于電源和接地層的內(nèi)部層，因此您將必須路由電源。建議在大多數(shù)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員使用可能的最小走線寬度，并且仍然可以以低廉的價(jià)格制造。通常這最終是信號(hào)的6百萬跡線，功率的20百萬跡線。請(qǐng)記住，功率的走線寬度與電流成正比-如果電流增加，走線寬度就會(huì)增加，反之亦然。
布線時(shí)，應(yīng)將信號(hào)和電源布線放在頂層，并在底層保留返回路徑。最簡(jiǎn)單的方法是將底層專用為堅(jiān)固的接地平面。您可能最終不得不使用某些底層進(jìn)行信號(hào)路由，但是如果要確保為信號(hào)返回維護(hù)清晰的路徑。
使用底層接地還可以幫助您解決噪聲和其他信號(hào)完整性問題，但同時(shí)也會(huì)占用大量空間。因此，重要的是仔細(xì)規(guī)劃頂層的電源布線，以確保電源在整個(gè)板上的分布均勻。
您還需要計(jì)劃信號(hào)路由，以使敏感走線不會(huì)離電源走線太近。請(qǐng)記住，僅因?yàn)閮蓪影宓闹圃斐杀据^低，并不能使其更容易設(shè)計(jì)。實(shí)際上，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)具有布線的電源走線的兩層板比您預(yù)期的要困難得多。
如果您希望為電路板布局的更大布線考慮做更多準(zhǔn)備，請(qǐng)閱讀我們有關(guān)PCB布線的出色電子書。它提供以下方面的見解：
信號(hào)或關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理策略
通過使用
管理堆棧注意事項(xiàng)
如果要處理特別密集或極具挑戰(zhàn)性的電路板布局，則可能需要刷新或重新考慮。
從組件到電源和地面的連接
無論您的電源和地面是通過走線，通過星型連接進(jìn)行電源信號(hào)布線還是通過實(shí)體平面進(jìn)行布線，您仍然都需要將組件連接到它。盡管信號(hào)返回路徑的接地連接不需要比常規(guī)信號(hào)走線更多的金屬，但是傳導(dǎo)大電流的連接需要更多的金屬。不利的一面是金屬充當(dāng)散熱器，因此可能在制造過程中引起焊接問題。為了解決這個(gè)問題，在將組件引腳連接到電源和接地時(shí)使用散熱片非常重要。
散熱是將一部分金屬從與銷的連接處移除的方式，目的是降低其導(dǎo)熱能力。如果沒有散熱，則焊接引腳所需的熱量將很容易被金屬平面吸收，而不是停留在需要的引腳上。
在PCB設(shè)計(jì)中，您將看到表面貼裝和通孔組件引腳上的散熱片變化：
SMT引腳：
如果將SMT引腳連接到具有大面積金屬的電源或接地，則可能導(dǎo)致它們與連接較少金屬的引腳之間發(fā)生熱不平衡。在較小的兩腳離散零件中，這種不平衡可能導(dǎo)致被稱為“ 墓碑 ” 的情況。這是一個(gè)引腳上的焊料回流速度比另一引腳快的地方，并將該部件向上拉并遠(yuǎn)離另一引腳。
當(dāng)將分立的SMT引腳連接到接地或電壓布線時(shí)，一般使用足夠?qū)挼淖呔€寬度以滿足電流需求，以提供散熱。這將有助于使器件的兩個(gè)引腳保持熱平衡。
小離散零件的另一個(gè)問題是將一個(gè)引腳放置在大面積的金屬上。盡管這提供了很好的電氣性能，但它也表現(xiàn)為巨大的散熱器，與另一個(gè)引腳產(chǎn)生了很多熱失衡。滿足電氣設(shè)計(jì)和PCB制造需求的實(shí)踐是將SMT引腳連接到多條走線或“紐帶”。這為SMT引腳提供了焊接所需的散熱。
通孔銷：
通孔引腳與電源和接地走線的連接通常與其他任何走線一樣，都需要直接從走線到引腳的焊盤進(jìn)行連接。如果走線比焊盤寬，或者有金屬填充區(qū)域（例如電源或接地層），則需要使用散熱墊.
這些散熱裝置可提供足夠數(shù)量的金屬來傳導(dǎo)電流，但會(huì)減少金屬平面會(huì)從引腳拉出的熱量。
電源和地平面的優(yōu)缺點(diǎn)
如果要設(shè)計(jì)多層電路板，則可能需要為專用電源和接地層配置板層堆疊。使用飛機(jī)的很大優(yōu)勢(shì)在于，它提供了一種將組件連接到電源和接地的簡(jiǎn)便方法，而無需像在兩層板上那樣通過寬走線布線。在設(shè)計(jì)中使用接地層還可以為您帶來許多其他好處，包括：
返回路徑：信號(hào)將從其源傳播到目的地，然后需要返回其源。如果沒有清晰的返回路徑，它們?cè)谥車腔矔r(shí)會(huì)產(chǎn)生很多噪聲，這可能會(huì)影響其他電路。接地平面將提供該簡(jiǎn)單的返回路徑。
屏蔽：接地層將幫助屏蔽敏感電路，使其免受外部電磁干擾（EMI）的影響，并使內(nèi)部產(chǎn)生的EMI不會(huì)影響其他設(shè)備。此外，在設(shè)計(jì)中在有源信號(hào)層之間使用接地層將有助于減少層之間寬邊耦合或串?dāng)_的可能性。
降低噪聲：隨著數(shù)字電路切換狀態(tài)，它們將通過接地電路產(chǎn)生噪聲脈沖，這可能會(huì)在其他電路中造成虛假切換。接地平面的大面積將有助于減小這種影響，因?yàn)樗淖杩贡冉拥鼐€穿過走線的阻抗低。
散熱：接地層也為熱運(yùn)行的組件提供了良好的散熱片。通過將這些具有孔的部件穿過電路板連接到接地層，熱量可以在電路板上均勻分布。
另一方面，在使用電源和接地層時(shí)也需要注意一些缺點(diǎn)。平面將增加板的層數(shù)，這將增加制造成本。電路的不同區(qū)域（例如數(shù)字和模擬）將需要仔細(xì)管理其接地，以使來自一個(gè)電路的噪聲不會(huì)對(duì)另一個(gè)電路產(chǎn)生不利影響。并且，在使用拆分后的飛機(jī)以容納多個(gè)電源或接地網(wǎng)時(shí)，必須格外小心。這對(duì)于信號(hào)返回路徑尤其重要，因?yàn)榉蛛x平面可能會(huì)無意間破壞或阻塞本應(yīng)暢通無阻的路徑。
但是，所有這些問題都是PCB設(shè)計(jì)過程的一部分，可以使用更高PCB設(shè)計(jì)工具來熟練地解決這些問題。
先進(jìn)的PCB設(shè)計(jì)工具如何發(fā)揮作用
PCB設(shè)計(jì)的接地和電壓布線將是設(shè)計(jì)過程的主要部分。幸運(yùn)的是，您擁有PCB設(shè)計(jì)工具的功能和功能。
完整的布線和平面創(chuàng)建實(shí)用程序可為您提供對(duì)電源和接地設(shè)計(jì)的完全控制，包括創(chuàng)建拆分平面和控制散熱墊。
仿真和分析工具，可在您投入生產(chǎn)之前監(jiān)視設(shè)計(jì)的工作方式。