layout中电源和地的处理

PCBLAYOUTGUIDELINEWrittenby沈高飞惠州华阳通用深圳研发中心[e-mail]1第一章：混合信号PCB的分区设计摘要：混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能优化混合信号电路的性能。如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢？在设计之前必须了解电磁兼容(EMC)的两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(注：小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比)；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。所有电流必须有流回源的回路。该回路的产生会自动寻找昀小阻抗的路径。通常在具有电源/地层平面的PCB结构中，会直接在信号线下方的平面上（电源或地）。该回流信号（电流）与原信号（电流）幅度相同、方向相反。I0—信号总电流，AH—信号线到参考平面的距离，mD—观测点到信号线中心的垂直距离，mi(D)—观测点的回流电流密度，A/in一：分割有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大型系统中问题尤其突出。昀关键的问题是不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中昀常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。20)/(11)(HDHIDi+××=πPCBLAYOUTGUIDELINEWrittenby沈高飞惠州华阳通用深圳研发中心[e-mail]2如图1所示，我们采用上述分割方法，而且信号线跨越了两个地之间的间隙，信号电流的返回路径是什么呢？假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接)，在这种情况下，地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的地电感，如果流过大环路的是低电平模拟电流，该电流很容易受到外部信号干扰。昀糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时，将形成一个非常大的电流环路。另外，模拟地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线。同时要注意以下两点：„参考平面的开槽不适当的参考平面的开槽，将增加信号的环路面积。„连接器的隔离盘连接器在参考平面上不适当的隔离盘，将增加信号的环路面积。DWPCBLAYOUTGUIDELINEWrittenby沈高飞惠州华阳通用深圳研发中心[e-mail]3信号环路面积增加，将产生额外的感抗，减慢信号边沿速率，并在临近信号线上产生互感串扰了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割，而且必须通过分割之间的间隙布线，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线。这样，在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者，跨越分割间隙的是光信号；在采用变压器的情况下，跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号：信号从一条线流入从另外一条信号线返回，这种情况下，不需要地作为回流路径。要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗昀小(电感昀低)，直接位于信号下方的路径，因此返回电流会流过邻近的电路层，而无论这个临近层是电源层还是地线层。)ln(5WDDL=0/901022.2ZLTRL××=−290102/9010)()(−−+=TTTrRLCLTr××=4.3（长线）（短线）0ZTLVVrcrosstalk××Δ=（长线）2)(52.1rcrosstalkTLCVV××Δ×=（短线）nHPCBLAYOUTGUIDELINEWrittenby沈高飞惠州华阳通用深圳研发中心[e-mail]4在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地，真正的原因是数字信号的布线不适当。PCB设计采用统一地，通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线，通常可以解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下，元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理，数字地电流将限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对，要保证百分之百遵守布线规则。否则，一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板。在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时，大多数的A/D转换器厂商会建议：将AGND和DGND管脚通过昀短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注：因为大多数A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，必须通过外部管脚实现模拟和数字地的连接)，任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部的模拟电路上。按照这个建议，需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都连接到模拟地上，但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的接地端应该接到模拟地还是数字地的问题。如果系统仅有一个A/D转换器，上面的问题就很容易解决。如图3中所示，将地分割开，在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。如果系统中A/D转换器较多，例如10个A/D转换器怎样连接呢？如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。PCBLAYOUTGUIDELINEWrittenby沈高飞惠州华阳通用深圳研发中心[e-mail]5昀好的办法是开始时就用统一地。如图4所示，将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑，可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线，在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线，确保在所有的层上没有数字信号线位于模拟部分之上，也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且，任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能，然后将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起，重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果，会发现几乎在所有的情况下，统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。PCB走线——20H规则如果在PCB上存在分区，也要在高频带宽区（CPU、以太网、SCSI等）实行20H规则，当数字和模拟区之间提供隔离或滤波时，在分界线上也要实行20H规则。二：隔离隔离是在板子上把所有平面之铜铂分离，在两个区域之间的制造一宽的分割（典型值至少50MILS）把所有铜铂拿掉。在两区之间的连接有两种：一是通过隔离变压器或光偶。二是通过一桥连接，通过桥连接时，所有的信号线，和电源必须通过桥的区域通过。电源用FERITTLEBEAD跨过桥，但不能在除桥外的地方进行任何跨接。如图：PCBLAYOUTGUIDELINEWrittenby沈高飞惠州华阳通用深圳研发中心[e-mail]6这种方法有助于：1.接地可防止地平面上的高频COMMON-MODERF成分（接地杂讯电压）偶合至分割区域中。2.接地有助于移除可能存在机构和界面卡的涡电流。否则可能流到CABLE上去。3.接地可移除两区域的电压梯度。这种情况的I/O口连接器的BYPASS电容应该按下面两种方法接：整个I/O口的接地就变成了以下这种情况，这是个比较符合ESD和RF的要求的接法：PCBLAYOUTGUIDELINEWrittenby沈高飞惠州华阳通用深圳研发中心[e-mail]7割地的方法还有用吗？在以下三种情况可以用到这种方法：一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间的漏电流很低；一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备上；另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源，能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙，而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下，将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。混合信号PCB设计是一个复杂的过程，设计过程要注意以下几点：1.将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。PCBLAYOUTGUIDELINEWrittenby沈高飞惠州华阳通用深圳研发中心[e-mail]82.合适的元器件布局。3.A/D转换器跨分区放置。4.不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。5.在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线。6.在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。7.实现模拟和数字电源分割。8.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。10.分析返回地电流实际流过的路径和方式。11.采用正确的布线规则。其他LAYOUTGUIDELINE(1)如M/B板面许可,在四周板边留GNDring,线宽8~12mil,且每隔1.5~2cm打一GNDVia。(2)各I/Oport所加之R/Cfilter型filterL/Cfilter或Cfilter…等,在Layout时,昀后一级之电容的位置需离I/Oport或OutputconnectorJack越近越好,如空间许可,可将电容之接地点与表层附近的螺丝孔或chassisGND用粗线连通。(3)各IC之Powerpin于线路设计时,至少都有预留1颗以上之稳压滤波电容,因此在Layout时,电容的位置需离IC之Powerpin越近越好且内层打Via上来之电源须先经过电容再接到IC。(4)除了电源线路(RTC3V/5VCPUDC/DC）以外,其余的滤波线路之接地电容均采用多点接地,即一个电容接地就打一个GNDvia。(5)GNDPlane如无特殊需求,切勿任意切割,以维持其整面shielding的作用。(6)线宽的定义:a.R,G,Bsignal:8mil。b.CPU,SDRAM,PCI及LCDCLK:6mil。c.其余的data&addressBus:5mil。d.Powertrace依耐电流而定按比例计算:第一个：1A=40mils，以后每加一个1A=20mils,一个：18mils内径的VIA=1A第二章：接地平面的分析接地技术在现代电子领域方面得到了广泛而深入的应用。电子设备的“地”通常有两种含义：一种是“大地”（安全地），另一种是“系统基准地”（信号地）。接地就是指在系统与某个电位基准面之间建立低阻的导电通路。“接大地”是以地球的电位为基准，并以大地作为零电位，把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连。由于大地的电容非常大，一般认为大地的电势为零。开始的时候，接地技术主要应用在电力系统中，后来，接地技术延伸应用到弱电系统中。在弱电系统中的接地一般不是指真实意义上与地球相连的接地。对于电力电