掌握 PCB 接地：可靠电路设计的关键技术

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• 什么是地
• 接地术语
• PCB 接地技术
• 接地时须记事项
• 确保所有连接
• 保持地层完整
• 最小化串联过孔使用
• 设置公共地点

接地是任何电子电路和处理电流系统的关键概念。从电网到家庭到印制电路板 (PCB) 均有地。PCB 对几乎所有电子设备运行至关重要，每块 PCB 都需要正确接地以正常工作。

“地”一词用于描述多种概念。本文讨论这些概念、PCB 中地的重要性及 PCB 接地不同方法。

什么是 PCB 地平面？

印制电路板地平面是作为任意电位节点和电流公共回路的导电体。它是零参考点或零伏特。地是您以之为基准的信号参考。

电子学中，地是电路中某一点的名称。单电池正负极电路中，负极通常称地。

某些电路有正、负、地三连接。此时地是负负极间电压测量的中点。若电压 9V，地平面为 4.5V。但您称地为零，正极 4.5V，负极 -4.5V。因电压是两点间测量，4.5 与 -4.5 差值仍为 9。

接地技术不当会大幅降低系统性能。必须管理寄生地与信号回流电压等方面，这些会恶化性能。外部信号耦合、公共电流等问题可导致这些电压。合理布线和尺寸导体、采用差分信号处理、使用地隔离技术有助于控制这些不需要电压。

混合信号模拟与数字环境下也有特殊考量。接地有助于宽动态范围信号工作时降低噪声。

接地术语

有多种节点称为地，包括浮地、虚地、大地地。

• 浮地： 隔离系统参考点，不物理连接大地。
• 虚地： 负反馈电路中运放反相输入端节点。同相输入为零伏特时，反馈使稳定电路反相端匹配。该值非其他电路稳定回流，仅由反馈维持。
• 交流地： 低阻抗直流值节点。直流电压稳定，抗小干扰。因直流值不能作真正地，但稳定可作参考点。
• 大地地： 大型电气系统中，大地地字面指连接大地。每家如家庭有铜极插地泄放剩余电流。
• 机箱地： PCB 电子元件无法连接物理地，但机箱地起同等作用。此地为从交流电源到产品机箱/外壳的安全线连接。

因大地地与机箱地功能相同，这两术语常与安全地互换使用。

接地 PCB 无一招鲜吃遍天。确定最佳接地方式需理解电流流向。但有多种方法可选，且一些最佳实践适用大多数系统。为确定适合您板卡的方法，需确保理解板卡设计，并可能尝试多种技术。

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PCB 接地技术

接地 PCB 有多种技术。以下是当今最常用方法。

1. 地平面

常用技术：使用地平面——PCB 上大片铜区。通常 PCB 厂商将无元件或走线区域全部覆铜为地平面。

双层板中，标准 PCB 地平面规则指示地平面置于板底层，元件与信号走线在顶层。

最好避免地平面形成导电环，因这使地平面更易受电磁干扰 (EMI)。导电环充当电感，外部磁场可能感应出称为地环路的电流。若地平面铺满整底层再移除有元件部分，可能形成导电环。为避免此问题，走线尽可能短，映射后让地平面完全在走线下方延伸。可能需调整走线与元件布局避免导电环。

地平面也常在板两面。某些情况下，元件面平面保持电源电压，另一面平面接地。地平面连接元件和连接器地引脚，保持整个 PCB 地电压同电平。

双层 PCB 也可用多个地平面。每平面单独连接电源以保持平面分离、防止地环路。

2. 地平面过孔

若 PCB 两面有地平面，板上多处通过过孔连接。过孔穿透板连接两面。允许从任意可放过孔处访问地平面。

使用过孔有助于避免地环路。它们将元件直接连接地点，通过低阻抗连接电路所有其他地点。也有助于保持回流环路短。

铜片（如地平面）可能在流入电流频率波长四分之一处谐振。在特定间隔在地平面周围放置缝合过孔可控制此现象。实用经验法则：地过孔间距 ≤ 波长 1/8。因走线存根仅在波长 1/8 处开始成问题。

制作过孔：钻微孔穿板，穿细铜线后两面焊接形成必要连接。

3. 连接器地

PCB 所有连接器应连接地。连接器中所有信号导体必须并行。因此必须用地引脚分隔连接器。

每块板可能需多个连接器地引脚。仅一个引脚可能导致阻抗失配引起振荡。若两连接导体阻抗不匹配，电流间来回反弹。振荡改变系统性能导致不按预期工作。连接器每引脚接触电阻低但随时间升高。因此理想使用多个地引脚。PCB 连接器约 30-40% 引脚应为地引脚。

连接器有各种间距、不同行数。引脚可能平行 PCB 表面或垂直。

4. 去耦

PCB 含一个或多个集成电路芯片，需电源工作。芯片有电源引脚连接外部电源，也有地引脚连接 PCB 地平面。电源与地引脚间有去耦电容，平滑供给芯片电压振荡。去耦电容另一端接地平面。

使用去耦电容主要原因关乎功能。去耦电容可作电荷存储器件。集成电路 (IC) 需额外电流时，去耦电容通过低电感路径提供。因此最好将去耦电容靠近 IC 电源引脚放置。

另一主要目的是减少注入电源/地平面对的噪声并降低 EMI。两主要问题导致此噪声：一是去耦电容未提供足够电流致 IC 电源引脚电压暂时降低；二是利用快速开关信号过孔在电源/地平面间故意发送电流。

应基于两功能选择去耦电容布局与数量。常将电容分布全板最佳——部分靠近 IC 地/电源引脚。推荐使用最高电容值，并保持所有电容同值。也可组合高等效串联电阻 (ESR) 与普通电容。

PCB 接地须记规则

接地是任何 PCB 设计必不可少部分。所有 PCB 设计必须遵循某些接地实践。以下几点接地时须记：

1. 确保所有连接

确保 PCB 布局中无悬空。建议用铜和连接地板的过孔填充空闲空间。这样确保有结构化路径使所有信号高效到达地。

2. 保持地层完整

若有专用地层（许多四层板如此），确保无走线布在其上。在专用地层布走线会分割地层产生地电流环。应确保地层保持完整。

3. 设置公共地点

每个 PCB 应有单一点汇聚所有地。常为产品金属机框或机箱。也可为板卡专用层。此单点常称星地，因各导体从此处延伸呈星状。混合信号应用中，可能有独立模拟/数字电源，其模拟/数字地在星点汇合。

4. 最小化串联过孔使用

最好最小化地路径过孔数量，尽可能直接将元件地连至地平面。增加过孔产生额外阻抗。此考量对快速瞬态电流尤为关键，因阻抗路径可能成为电压差。

5. 布线前先设计接地

接地应在任何布线前设计。地是布线过程基础，正确设计地至关重要。地设计不良会使整个器件处于风险，单个信号不工作则不然。

6. 理解电流流向

理解板上电流去向有助于确保正确接地。必须考虑信号去向及其回流路径。信号发送与回流路径电流相同，这影响地弹跳与电源稳定性。

7. 为地间动态差异做准备

多板系统间传送地连接时，规划动态差异很重要。长距离线缆应用尤其关键。光隔离器、低压差分信号、共模扼流圈有助于控制差异。

8. 考虑混合信号因素

模拟与数字信号共存时，规划须谨慎。板卡模拟部分应保持隔离，含模数转换器 (ADC) 和数模转换器。可将 ADC 地回连至公共地点，再传递数字信号至 PCB 其他区域。

与 Millennium Circuits Limited 合作满足 PCB 需求

正确接地是所有 PCB 关键考量。此概念常有困惑，实施难度大。确保理解设计电流流向，采用本文描述的实践技术可提供帮助。

与经验丰富的 PCB 供应商 Millennium Circuits 合作也有帮助。我们助确保您收到采用适合您应用的正确接地技术的 PCB。有任何问题或寻找下一项目完美 PCB 请联系我们。立即获取快速报价开始。

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