PCB设计关键:接地策略与辐射干扰解析
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更新于2024-08-17
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"辐射与干扰-PCB信号接地设计分析说明"
在电子设计中,PCB(Printed Circuit Board)的信号接地设计是至关重要的,因为它直接影响到设备的信号完整性和抗干扰能力。辐射和干扰是PCB设计中常见的问题,它们主要源于PCB上的快速变化电流形成的环路,这些环路犹如微型天线,向外发射电磁场并可能接收外部的干扰。
首先,了解辐射的基本原理。当PCB上的电流变化迅速时,它会在周围空间产生电磁场辐射。辐射的强度与回路电流Io的大小、回路面积A以及电流频率的平方成正比。这种现象在差模辐射中尤为明显,如图(a)所示。此外,如果PCB上的信号回路接触到外部快速变化的电磁场,也会产生干扰电流。
共模辐射则发生在电缆出入PCB时,如图(b)所示。当电缆中存在共模电流时,会形成辐射,并且辐射强度与共模电流大小、频率及线缆长度成正比。共模辐射不仅对外部环境造成影响,还可能导致PCB内部电路间的共模干扰。
PCB的接地设计策略需要考虑多个因素。首先,根据设备系统总体的接地设计方案,例如保护地、屏蔽地、工作地(数字地GNDD和模拟地GNDA)如何与背板连接,以及背板上的地如何与系统其他部分汇接。工作地应被视为信号回路的电位基准点,但在实际操作中,它同时承载着信号电流和电源电流,这可能导致共模干扰、信号串扰和辐射等问题。
共模干扰电压是由于电流流经工作地时产生的压降,这部分电流来自信号回流和电源电流的返回。当信号和电源共地时,共模噪声电压Vnoise会因此产生。
信号串扰是由于PCB上相邻印制线之间的互感和耦合电容导致的。快速变化的信号会影响周围的线路,如图(a)所示。图(b)揭示了在集总参数下,串扰(Crosstalk)与线间距D和印制线离地平面(参考平面)高度H之间的关系。
为了减少这些问题,设计师需要优化PCB布局,减小环路面积,使用正确的接地策略,比如采用多点接地、分割数字地和模拟地以降低串扰,以及合理安排电源和信号线的位置以减小共模干扰。同时,考虑使用屏蔽层和适当的接地平面来抑制辐射。
PCB的信号接地设计是解决辐射与干扰的关键。设计师需要理解并应用相关理论,结合实际工程经验,才能创建出高效、低干扰的PCB设计。
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