初探PCB印刷電路板中地線設計

（廈門普瑞特科技有限公司，廈門 361000）

1 地線在PCB板設計中的重要地位

在現今的生活中，電子產品已經成為了人們生活中的一種必需品，并且在社會中的各個領域都得到了廣泛的應用，與此同時，對于電子產品的質量，人們也提出了更高的要求。在實際的使用過程中，電子產品的工作狀態必須要穩定，同時也要有較高的抗干擾性能，也要有較高的工作效率，并且噪聲以及電磁輻射都應當降低。想要使電磁干擾問題以及電磁兼容問題得到有效的解決，解決方式很多，其中最主要的就是地線設計方案。

通常來說，“地”在電路系統當中，主要扮演的角色就是電路零電位的一個參考點，同時在整個電氣系統當中，“地”也是參考電平。在PCB板的設計過程中，“地”并不是最理想的地，并且接地平面也并不是零電阻，接地電阻中不僅有一定的電阻存在，同時還有一定的阻抗存在。通過大量的實踐理論證明，在走線當中，如果特性阻抗相對較小，那么就能對電磁干擾產生更加顯著的抑制效果。從相關的理論角度上對此進行分析，可以看出，在PCB板上存在的每一條走線，都能夠通過三個參考數值來描述走線的特性阻抗Z。分別是：Z=R+jωL，其中l代表的是PCB板上存在的導線的長度，b代表的是PCB板上導線的寬度，d代表的是PCB板上導線的厚度。由此也能夠看出，走線中所含有的特性阻抗Z的大小與R、L還有信號的頻率ω之間是成正比關系的，并且R與l以及ρ之間存在一定的聯系，如果在確定PCB板材的過程中，ρ以及d為常數，那么R則由l以及b進行決定，也就是說，R以及l是正比關系，而R與b之間是反比關系。

當處于低頻狀況下時，特征阻抗Z主要的代表就是R，只要在設計PCB板的走線的過程中，能夠使走線做到寬并且短，就能夠在最大程度上將特性阻抗進行降低。

當處于高頻狀況下時，jωL都是不容忽視的因素，頻率不斷升高的同時，特征阻抗Z也會不斷的增大，PCB的走向以及參考平面最終所形成的閉環面積會對產生的磁場能量造成一定的影響。通過利用通量最小化技術或者通量對消的方式，使將走線與參考平面之間的距離進行縮小，從而使形成的電流回流路徑保持最佳狀態，也就是要確保能夠將電磁干擾降到最低。

分布電容的大小與電磁干擾的抑制程度之間有著直接的影響，越大的分布電容，產生的電磁干擾抑制效果就越好。

除此之外，地線在流經地線環路時形成了干擾。根據圖1中所展示的內容可以看出，L、J、M、N、K這幾段所表現出的物理尺寸并不相同，因而，也就說明，他們形成的特征阻抗也存在一定的差異性。因此，在對其進行觀察的過程中，就不能僅僅只是將其看做是一個等電位連線，而是要將他們看作是具有一定的獨立性的電控元件。在流經地線環路的過程中，各個單元的地線電流之間形成了一定的干擾，并且，在各個階段的地線流過電流使都會產生一定的點位差異，除此之外，在地線環路當中，還存在著一定的磁場干擾，而這些干擾都能夠進行總結整合，這些干擾最終都被總結為了：地線環路干擾、公共組抗干擾以及地環路電磁耦合干擾。

圖1 地線環路干擾

總的來說，在PCB的設計過程中，地線設計有著十分重要的作用。在地線設計當中，認為地線的特征阻抗越小越好，也就是說要將R與L進行降低，并將C值增大。如果想要有效的避免出現地線環路干擾，就必須要在設計過程中選擇合適的接地方式。這就需要在PCB板的設計過程，盡可能的將走線與參考地面之間的距離進行有效的縮短，并且要將地線線路盡可能的設計的短并且寬，從而在最大程度上避免形成地線環路。設計人員在進行多層板的設計過程中，一定要對參考平面的位置進行合理的安排，并盡可能的將過孔數量減少[1]。

2 各種不同的層面PCB板當中的地線布置

2.1 單面PCB板的地線布置

在單面PCB板的地線布置過程中，首先就需要從電源設計以及接地線設計方面開始進行布置。單面板的地線布置在實際的布設過程中有一定的限制，例如：對于外界射頻會產生十分敏感的反應、以及高頻電路在實現過程中必備的條件受到限制、沒有通量對消的條件以及RF的回流路徑等因素。因此，在對電源以及接地線進行設計的過程中，首先就會采用徑向路由的方法將電源以及接地線根據樹枝的形狀進行布置。與此同時，還應當滿足以下三種設計要求：第一，設計地線時，必須要采用徑向路由的方式，配送所有的單面PCB板當中的接地線以及電源，確保全線最短；第二，在布線時，要將電源以及接地線緊鄰設置；第三，避免將樹枝形路由當中的不同分支連接在一起，避免出現回路電流的現象[2]。

2.2 雙層PCB板的地線布置

在雙層PCB板的設計過程中，針對數字電路進行設計的過程中，在選擇布線方式時，可以優先選用點陣布線或者柵格布線。這種布線方式能夠使接地阻抗在最大程度上被減少。在進行雙層PCB板的地線布置過程中，主要可以采用兩種布線方案，一種是將雙層PCB板當做單層PCB板進行處理，采用單層設計規格對其進行設計。不論是在哪一種情況下，都必須要確保接地環路控制。在設計過程中要確保為電源留出了充足的空間，對于剩余的部分應當將其當做參考地進行填充。另一種方案就是要將接地層與電源線和信號分開放置，這種布線方式在實際的應用過程中，能夠使接地回路以及接地阻抗都能夠得到有效的減少，但是，在這種方案中，參考平面與信號線條之間產生的距離已經與8倍的印制線條寬度相同了，這就導致無法使通量對消進行良好的開展。但是可以在于IC供電線以及接地層之間組接近的位置處放置去耦電容[3]。

2.3 多層PCB板中的地線布置

在多層PCB板當中，需要鄰層放置電源層以及底線層，而這樣放置的主要目的就是為了能夠確保在PCB板中形成的電容最大。放置高速信號線條時，必須要盡可能的將其放置在與接地面足夠靠近的位置處，其他的信號條在設置的過程中要盡量與電源面靠近。在布置地線的過程中只要地線的布置合理，就能夠在最大程度上將接地阻抗減小，從而使電磁干擾有效的減少。

3 PCB板當中的地線總體布局

根據下方圖2中所展示的內容可以看出，如果PCB板當中同時含有模擬電路以及數字電路，那么在實際的設計過程中，設計人員要盡可能的分開布設數字地以及模擬地，同時要使其能夠分別與地線進行連接。在連接數字地線與電源端地線時，以及模擬地線與電源端地線進行連接的過程中，可以利用高頻磁珠，達到隔離的目的，而采用這種做法的主要目的就是為了確保他們之間不會產生干擾。要確保模擬部分的接地面積足夠大，同時也要將數字部分設計成為閉環路，這種設計形式在一定程度上能夠有效的提升其抗噪聲能力。

這種布局方式雖然可行度更高，但是在實際的應用過程中，存在著一個無法忽視的問題，就是布線時不能進行跨越分割間隙，如果跨越了分割間隙，那么，很容易導致出現信號串擾，或者導致電磁輻射的程度大幅度上漲。在實際的布線過程中，如果必須要將底線層進行劃分，同時在布線時，還必須要通過分割層中的間隙，那么，可以在各個分割地之間進行單點連接，在兩個分割地之間形成連接橋，最后再利用連接橋進行布線，通過利用這種布局方式，能夠有效的在各個信號線的下方形成電流回流路徑，最終使環路面積減小。想要實現信號的跨越分割間隙，通過利用隔離器件以及變壓器也能夠達到目的。

圖2 數字地與模擬地分開及單點接地

4 結束語

從上個世紀中葉到現階段的發展過程中，電子技術得到了迅速的發展，電子產品的發展也正在向著規模化、小型化以及程序化的方向發展。在對PCB板進行設計的過程中，必須要對電磁干擾問題以及電磁兼容問題進行全面的考慮，并對其進行有效的解決。