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PCBA中的地弹产生的原因、影响和预防技巧

作者:欧朗电子   发布日期:2022-02-28 15:01:47   阅读量:

接地反弹是PCB板中的噪声源。重要的是要防止这种情况,因为它会中断高速或高频操作。接地反弹的主要原因是电路上不同点的接地电位差。

噪声是任何电路中都不需要的元素。因此在一个电路板设计,考虑所有可能的噪声源并实施所需的解决方案。地弹是这些噪声源之一。在组装过程中,所有组件和走线都接地。由于某些差异,电路中各个接地点之间可能存在电位差。在本文中,我们将帮助您了解地弹的原因、影响和预防技巧。

PCBA中的地弹是什么?

电路板组件上的所有接地点都应该处于相同的电位。由于某些原因,单板接地参考点的电压会出现波动。这种现象称为地弹。

理想情况下,对于安装在板上的 IC 封装:

PCBA中的地弹产生的原因、影响和预防技巧(图1)

实际上,这些潜在的差异并不总是相同的。在我们详细解释造成这种差异的原因之前,让我们先来看看将电子组件接地的有效方法。

如何正确接地电路板?

在变电站和传输设备等大型电气系统中,电流的返回路径直接连接到物理接地。这种方法称为直接接地。然而,许多电子电路缺乏这种规定。汽车或航天器中的电路板组件与物理接地隔离。因此,要提供当前返回路径,设计者使点或平面保持在地电位。这种方法称为间接接地。

电路板中不同类型的接地是:

外壳接地

连接到设备金属外壳的公共接地点称为机箱接地。PCB 上的所有接地点都聚集在一起在这一点上连接。它为设备提供电击保护和物理屏蔽。该接地可防止电流流过机箱的整个表面区域。因此,不会形成引起 EMF 的接地回路。

信号地

信号地是板上测量信号的一个点。该参考点通常位于电路板表面并连接到内部接地平面。可以在信号接地点上注入噪声。这就是为什么这些点被放置在 PCB 本身上而不是隔离到不同的位置。

当涉及处理精确低电压的电路板时,更清洁的信号接地是一个重要参数,例如医疗PCB. 在这些电路板中,即使很小的噪声信号也会产生信号完整性问题.

同一电路板的模拟和数字部分允许共享相同的信号地。

地平面

地平面是一层PCB堆叠保持在 0V 电位。它充当参考平面和通过电路板循环的返回电流的汇。来自表面的信号接地点通过过孔. 接地层提供有效的信号返回、电压返回,并减少噪声和干扰。保持地平面连续是一个很好的做法。这将避免形成提供替代电流返回路径的接地回路,从而中断操作。

大地

接地是从电路到物理接地的直接连接。这种接地在电子电器中很突出。电气互连中的短路或与设备底盘/覆盖物接触的带电组件是危险的。操作人员接触底盘会触电。因此,所有高压电路都需要接地。

什么导致接地回路?

接地回路是由整个电路中的接地电位差引起的多个电流返回路径。因此,电流通过比所需路径更短的其他路径循环。理想情况下,PCB 组件上的所有接地点和平面都应处于相同的电位。但在实际场景中,将 IC 连接到电路板的引线中存在电感。该电感会产生小电压降并成为接地反弹的原因。

感应寄生电感的值非常小,但对于晶体管等器件来说是不可忽视的。这些器件是由逻辑门构成的高速开关电路。晶体管的信号电压在高 1 和低 0 之间切换。

当IC电压为1时,表示输出电压接近V抄送. 同样,如果电压为 0,则表明输出电压正在接近地电位(0V)。由于上述电感,接地电压开始波动或反弹至 0V 以外的其他值。这就是地面弹跳背后的原因。

地弹导致电路将低 (0) 误解为高 (1)。因此,整个电路板上的数字逻辑器件的操作都会受到影响。

除了对操作的影响外,地弹被认为是 PCBA 上的噪声。因此它减少了信号完整性. 因此,设计师采取必要的指导方针来消除地面弹跳。

地弹是如何产生的?

使用下面给出的电路也可以清楚地解释地弹的产生。

PCBA中的地弹产生的原因、影响和预防技巧(图2)

用于说明地弹的模型电路

该图显示了一个带有 CMOS 的电路,它连接到一个带有 C 的输出负载升电容和 R升反抗。其他参数如下:

  • LA:封装电源线的固有电感

  • LB:封装输出引线的固有电感

  • LC:CMOS封装接地引线中的固有电感

  • R1:CMOS IC的输出电阻

现在让我们看一下输出从高(1)变为低(0)的场景。在这种情况下,电流从负载侧流出,负载电容放电。该电流(I)流过电感LB和LC产生电压V=L(dv/dt)。该产生的电压导致内部CMOS接地的电势与外部负载接地的电势不同。因此,与外部接地的零电位相比,内部参考接地的电位更高。这种差异表现为电路中的噪声,并影响电路中开关设备的工作。

通过示波器观察到的电路的地弹振荡如下所示。

PCBA中的地弹产生的原因、影响和预防技巧(图3)

地弹波形

顶部波形代表开关器件 I/O 引脚的输出。底部波形显示由于地弹引起的尖峰(噪声)。

如何减少地弹

PCB 设计人员一直在寻找减少地弹的技巧。最常用的方法是在电路上放置一个旁路电容.旁路电容器有效地绕过电压尖峰和电源噪声. 它连接在 VCC和 IC 封装的 GND 引脚。

旁路电容有什么作用?

电容器在交流和直流电路中的行为不同。在直流电路中,它被充电到电源电流,然后完全阻止电流流动。在交流电路中,它为瞬态信号到地提供了一条简单的路径。因此,作为瞬态信号的地弹或噪声被直接旁路到地。直流信号将被电容器阻挡,因此流经电路并刺激操作。

PCBA中的地弹产生的原因、影响和预防技巧(图4)

使用旁路电容器消除噪音


电容器设计参数

  • 引线电感是一个关键因素

  • 多层陶瓷片式电容器(MLCC)是常用的

  • 最大电容器电流取决于最大脉冲压摆率

  • 从低到高切换时消耗的电流量

旁路电容应该放在PCB的什么位置?

旁路电容器尽可能靠近组件的电源引脚放置。该电容器充当晶体管等开关组件的本地电荷存储。额外的电压尖峰存储在这个电容器中,而不是通过电路循环。

因此,所有接地点将处于相同电位,不会出现地弹噪声。以下是与旁路电容器相关的更多设计指南:

  • 使用宽和短的走线和过孔将旁路电容焊盘连接到电源和接地引脚。这最大限度地减少了电感并改善了电流。

  • 集成 SMD 电容器。

  • 添加靠近电容器焊盘的过孔。

旁路电容和去耦电容有什么区别?

电容器广泛用作旁路和解耦组件. 这些术语在电路板设计中极为常见,因此让我们来看看两者之间的区别。

旁路电容

去耦电容

将噪声信号旁路到地面

将两个电路彼此分开

放置在电源电压和接地引脚之间

与电源和负载并联放置

将交流信号短接到地

为高频信号创建低阻抗路径


减少地弹的布局设计规则

  • 用过孔焊盘在设计允许的情况下。

  • 减少信号返回路径距离。减少的距离将减少寄生电容. 为此,最好将组件放置在其接地点正上方。

  • 不要使用插座或绕线板。

  • 切勿共用接地过孔或走线进行接地连接。建议使用单独的过孔和走线连接到地平面。

PCBA中的地弹产生的原因、影响和预防技巧(图5)

推荐的接地连接

  • 不要将电容器直接连接到输出。

  • 实施低压差分信号 (LVDS) 作为 I/O 标准。该标准提供高带宽和高抗噪性。

  • 选择短引线封装以降低串联电感。BGA也推荐。

  • 使用实心地平面来减少 IR 损耗和电感。避免接地分离平面。

  • 如果设计允许,尽量使用较低的开关元件。

地弹减少技术导致更好的信号完整性. 这些方法消除了电路中的所有瞬态噪声,从而提高了效率。希望本文能帮助您更接近完美的无噪声电路板设计。如果您有任何疑问,请在给我们留言

来源:电子资料库

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