PCB设计中的接地和电压布线问题

2020年4月9日

关键外卖:

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了解哪些独特的软件产品，从Allegro PCB Designer可以帮助您的接地和电压布线
在PCB设计中实现电源和接地平面的最佳实践

如果你还有更多要学习的，请观看我们关于Allegro Route Vision的视频，看看Allegro PCB Designer还能做些什么，使您的路由掌握自如。

图片很容易插上电源，还是这么容易

把电源线插到墙上的插座上，或打开电灯开关是如此容易，以至于你可能会认为将印刷电路板上的组件连接到电源或接地上似乎也很容易。说实话，PCB设计也曾是如此。在不太关心信号和电源完整性的电路板上，您可以简单地将一个过孔插入电源或地平面，然后忘记它。

然而，随着当今电子产品的设计要求，管理配电网络比简单地在设计中添加一些通孔要多得多。您需要考虑PDN对电路板其余部分的影响，同时仍然确保您的设备可以访问适当的电源和接地网。这需要在您的电路板的接地和电压布线方面有一些技巧，我们有一些可以帮助的想法。

印刷电路板上的接地和电压布线

尽管高密度多层板今天被广泛用于先进的电子设备，但仍然需要便宜的两层板。对于不需要太多电路的设备，如玩具或其他简单的消费产品，两层板仍然是首选，以减少制造时间和成本。与此同时，这些电子器件的性能也在不断提高，这就要求电路板的电源传输网络的设计更加谨慎。

只有两层工作，你将没有内部层，你可以使用电源和地面平面，所以你将不得不路由电源。的大多数应用程序中，建议使用尽可能小的痕迹宽度这些产品仍然可以低价生产。这通常是一个6mil的信号跟踪，和一个20mil的功率跟踪。请记住，功率的迹线宽度与电流流量成正比-如果电流增加，迹线宽度增加，反之亦然。

当你布线你的电路板，你应该保持你的信号和电源布线在顶层，并保留底层作为返回路径。最简单的方法是将底层作为一个坚实的地平面。您可能最终不得不使用底层的一些信号路由，但如果您这样做，请确保为信号返回维护清晰的路径。

印刷电路板上的信号和电源路由图

将电压与信号轨迹一起布线需要仔细规划

使用底层作为地面也将帮助您解决噪声和其他信号完整性问题，但它也将消耗大量空间。因此，重要的是要仔细规划顶层的电源布线，以确保在整个电路板上有良好的配电。

您还需要规划信号路由，以使敏感迹线不会太接近电源迹线。请记住，仅仅因为两层板的制造成本更低，并不会使它更容易设计。事实上，您可能会发现设计具有路由电源走线的两层板比您预期的更具挑战性。

如果您正在为电路板布局的路由考虑做更多的准备，请仔细阅读我们关于PCB路由的电子书．它提供了以下方面的见解:

信号或关键区域网的网络管理策略
通过使用
管理堆叠注意事项

除了其他许多方面，如果您正在处理特别密集或具有挑战性的电路板布局，您可能需要刷新或重新考虑。

从元件到电源和地的连接

无论您的电源和地面是使用走线布线，电源信号是通过星形连接，还是通过固体平面传输，您仍然需要将组件连接到它。虽然信号返回路径与地面的连接不需要比常规信号轨迹更多的金属，但传导大电流的连接需要更多的金属。另一方面，金属作为一个散热器，因此，可能会导致焊接问题在制造过程中。为了解决这个问题，在将组件引脚连接到电源和地时使用热保护是很重要的。

热释放是指将部分金属从与引脚的连接中移除，以减少其传导热量的能力。如果没有热缓解，焊接引脚所需的热量将很容易被金属平面吸收，而不是停留在引脚上。PCB设计工具，如Cadence Allegro使设计师能够操纵热浮雕的大小和形状，如下图所示:

用于管理热浮雕的Allegro动态形状实例参数菜单的截图

使用Cadence Allegro的参数菜单管理PCB设计的热浮雕

在PCB设计中，你会在表面安装和通孔组件引脚上看到热浮雕的变化:

SMT针:

如果SMT引脚连接到有大面积金属的电源或地面，可能会导致它们与连接较少金属的引脚之间的热不平衡。在小的两脚分立部件中，这种不平衡可能导致一种称为“墓碑效应这种情况下，一个引脚上的焊料会比另一个引脚回流更快，并将零件拉起并远离另一个引脚。

当将离散SMT引脚连接到接地或电压路由时，最好使用足够宽的走线宽度来满足电流需求，以提供热缓解。这将有助于保持部分的两个引脚热平衡。

小型离散部件的另一个问题是，当一个引脚被放置在大面积的金属上时。虽然这提供了最好的电气性能，但它也表现为一个巨大的散热器，与其他引脚产生了大量的热不平衡。为了满足电气设计和PCB制造的需求，这里的最佳实践是用多个走线或“领带”连接SMT引脚。这给了SMT引脚热救济，它需要焊接。

通孔针:

将通孔引脚连接到电源和接地迹线通常与任何其他迹线一样，从迹线直接连接到引脚的衬垫。对于比衬垫更宽的痕迹，或者有金属填充区域，如电源或接地平面，您将需要使用如下图所示的热缓解衬垫。

这些热释放提供了足够的金属量来传导电流，但减少了金属平面从引脚拉出的热量。使用Cadence Allegro等PCB设计工具，您可以控制热浮雕中的领带和空间的宽度，以便为衬垫提供足够的金属以满足其需求。

接地面上通孔销的热缓冲

动力和地面平面的利与弊

如果您正在设计一个多层电路板，您可能会将电路板层堆叠配置为专用的电源和地平面。与飞机一起工作的最大优势是，它提供了一种简单的方法来连接您的组件到电源和地面，而不必像在两层板上那样使用宽走线布线。在你的设计中使用地平面还会给你带来很多其他好处，包括:

返回路径:信号将从信号源传播到目的地，然后需要返回信号源。如果没有明确的返回路径，它们就会在四处游荡时产生大量噪音，从而影响其他电路。地面将提供一个简单的返回路径。
屏蔽:地平面将有助于保护敏感电路免受外部电磁干扰(EMI)的影响，以及防止内部产生的EMI影响其他设备。此外，在您的设计中使用主动信号层之间的地平面将有助于减少层之间的横向耦合或串扰的可能性。
减少噪音:当数字电路开关状态时，它们会通过地面电路产生噪声脉冲，这可能会在其他电路中产生错误的开关。地平面的大面积将有助于减少这种影响，因为它具有较低的阻抗，如果地面是通过一个轨迹。
散热:地平面也为运行热的部件提供良好的散热器。通过将这些组件通过孔连接到接地平面，热量可以均匀地分布在单板周围。

另一方面，在使用电源和地面时，也会有一些需要提到的缺点。飞机将增加电路板的层数，这将增加制造成本。电路的不同领域，如数字和模拟，需要仔细管理它们的接地，以便其中一个的噪声不会对另一个产生不利影响。当使用分离的飞机以容纳多个电源或地网时，必须小心。这对于信号返回路径尤其重要，因为分裂平面可能会无意中破坏或阻塞原本应该是清晰的路径。

然而，所有这些问题都是PCB设计过程的一部分，并且可以通过使用先进的PCB设计工具熟练地导航。

《节奏快板》中的3D布局截图