今天主要介紹關於 PCB 接地設計、PCB接地技巧、PCB 接地處理。
一、什麼是接地？
雖然說這個問題看起來有點蠢，但不同型別的接地之間還是有區別的。電氣接地是一個導電體，它充當來自各種裝置的電流的公共返回路徑，通常稱為 0 電位節點，系統中所有其他電壓都是相對於這個節點。
這裡介紹接地不同型別的節點：
1、浮地
當系統沒有可靠的接地連線時，就會發生浮地。因此，接地端子和導體中的電壓是不確定的，無意浮動接地被認為是系統故障（接地系統中的潛在斷路），但也有有意使用浮動接地的應用。
在低壓電源和測試儀器中，隔離變壓器用於將低壓接地與主接地系統隔離，以提高安全性。透過浮動低壓側的地，它避免了來自主電源的接地電流路徑。如果低壓側出現故障，這將提供電氣安全。
這實際上是與地球的物理連線，充當耗盡剩餘電流的安全返回點。
機箱接地（安全接地）是從交流電源到產品外殼或底盤的安全線的連線，接地和機箱接地具有相同的功能，通常與術語安全接地互換使用。
在 PCB 接地方面，沒有一種萬能的方法。要確定將系統接地的最佳方式，你需要了解其中電流的流動方式。但是，有多種方法可供選擇，以及適用於大多數系統的最佳接地實踐的一些提示。
訊號地是電路中使用的任何模擬或數字訊號的參考，大多數時候訊號地等於電源地。但在某些情況下，電路中的訊號使用不同的隔離接地來返回訊號電流，這導致為訊號定義單獨的接地，訊號地可以在敏感裝置和測量儀器中找到。
在為模擬和數字部分劃分電路板時，分離地通常連線在具有模擬和數字軌道連線的混合訊號裝置下方或附近。當在混合訊號裝置下方的模擬地和數字地平面之間進行連線時，它能夠以最短的長度執行混合訊號走線，並減少干擾裝置周邊其他模擬或數字訊號的機會。
虛地常見於運算放大器 (Op-Amp)。虛擬接地點（節點）不直接連線到接地（GND）電流返回路徑，而是保持與接地參考電位匹配。虛擬接地用於分析運算放大器的功能。
透過考慮虛擬接地電位，並假設運算放大器不吸收電流，得到以下關係。
交流接地節點具有低阻抗直流值，即使受到小的干擾，該直流電壓也是穩定的。由於它的直流值，這個節點不能作為一個合適的地，但是因為它是穩定的，它可以作為一個參考點。
交流接地是將電源引入需要電網電源並以中等高電流執行的電路板的標準方法。在下圖中，我們將 3 線單相交流電引入系統，並使用變壓器將其降壓至電路板上所需的電平。
PCB 疊層中初級接地 (PGND) 和次級接地 (SGND) 之間的分離意味著我們現在在電路板上基本上有一個隔離電源以及我們的其他重要元件，這些元件可能是高速數字或精密模擬元件。
電子產品中需要注意的重要一點是，並非所有系統都有機箱接地（安全接地）。通常，底盤接地是指外殼中的金屬機箱，並與機箱建立連線。
在 3 線 AC 系統（火線、中性線和地線）或 3 線 DC 系統（DC+、DC 公共端和地線）中，機箱接地通常在電源進入電源的點處連線到大地。插入系統的一部分也可以連線到機箱接地以吸收噪聲或出於安全原因（例如，ESD 保護），如下面所示的示例。這種佈置為 3 線連線上的交流或直流輸入提供了共模噪聲過濾。
下面原理圖中的機箱接地直接連線到電路板，並帶有與外殼的低電感接地觸點。請注意，聯結器上的引腳 3 是地線。
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由於機箱現在設定為全域性 0 V 參考電位，因此機箱現在充當法拉第籠並提供寬頻遮蔽。
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它提供了一種安全功能，可以將寄生電流（ESD、短路或噪聲）消散回大地。
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它可以在此輸入 EMI 濾波器上為共模噪聲提供低阻抗接收器，而無需在板上放置鐵氧體或大扼流圈。
多地接地通常在兩臺裝置之間佈線時出現，並且電纜可能有一些遮蔽層連線到每一端的地線。
必須在這裡小心，因為兩個接地連線之間可能有直流電勢差，在實驗室測量時可能約為 10 V。如果接地橋接（例如沿遮蔽電纜使用遮蔽），接地偏移可能會導致大的直流電流流過電纜。
二、並非所有接地都為 0V
懸空的導體或者系統中參考不同電源的導體可能不具有相同的 0 V 電位。換句話說，兩個不同的裝置有兩個接地參加，但連線到同一個參考，如果你測量它們之間的電位，測量得到是一個非 0電壓。
在電源系統中，要注意如何使用電容接地以確保接地參考保持一致。Y級電容最合適，你需要消除平面之間的直流偏移，同時提供電流隔離和高頻EMI 濾波。
PCB接地電路
當兩個裝置引用相同的導體作為接地連線時，可能會發生下面這種情況。如果你測量長導體上的電位差（例如：使用萬用表），它可能不為 0，這意味著沿著導體驅動了一些電流。這種沿著大地或兩個接地連線之間的電位差稱為 “接地偏移”。
三、PCB 接地設計
1、地線
所有連線到地面的元件都透過公共跡線連線在一起，這在舊 PCB 和簡單 PCB 中很常見。
地線
2、公共接地平面
公共接地平面是PCB設計中最常見的做法。PCB 上未被走線或元件利用的自由空間被從地面覆蓋。公共接地平面顯著改善了 PCB 的熱特性，也有助於降低電磁干擾 (EMI)。
公共接地平面
3、專用接地層
專用接地層用於多層 PCB，元件透過接地過孔連線到接地層。可以在具有 3 層及以上層的密集複雜 PCB 中找到。
在電力系統安裝中，所有接地連線都連線到接地母線。該母線連線到接地導體，該接地導體連線到接地棒或接地網。
接地母線將所有裝置的所有接地線彙集到一個公共點。該點的接地電阻應低於 5 歐姆，以提供更好的接地，使用高規格電線將接地母線連線到接地裝置。（接地棒和接地網）
等電位接地意味著保護區中的每個導電元件都應具有相同的接地電位，是透過電氣連線裝置底盤、金屬管道和所有接地裝置來實現的。
等電位確保了該區域中的任何導電部件之間沒有明顯的電位差，並防止在故障期間觸電。
四、PCB 接地技巧
PCB 佈局上不應有任何未連線的東西。如果你的板上有一個開放空間，得用銅和過孔填充它以連線接地層，這將為 PCB 的所有訊號建立一個結構化的路徑，以有效地到達地面。
使用接地層是許多 PCB 設計人員最常用的技術。接地層通常由銅製成，覆蓋 PCB 上沒有元件或走線的所有區域。一些規則適用於接地層，具體取決於電路板的層數。例如，如果電路板有兩層，則規則規定應該將接地層放在底層，將走線和元件放在頂層。
放置接地層時，應確保它不會形成導電材料環。該環增加了接地層對電磁干擾 (EMI) 的敏感性。當外部磁場與導電環接觸時，它會充當電感，產生稱為接地迴路的電流。接地迴路會干擾產生電噪聲的其他電路。
當在整個底層的下方放置一個接地層並移除所有包含電氣元件的部件時，可能會形成一個導電環。應確保走線儘可能短，並在其下方放置接地層以防止出現振鈴。此外，可以透過調整走線和元件的佈局來避免建立導電環。
每個元件都必須單獨連線到一個實心接地層以避免接地迴路。
使用機箱接地時，你可以透過在連線到機箱的接地部分放置一個空隙來避免接地迴路，如下所示。電容的使用提供了一個交流接地點。對於需要使用牆壁電源並需要直接返回地面的電氣裝置來說，這是一種理想的情況。
元件應佈置在靠近地的訊號層上，以使返回路徑短且走線耦合到地。如果 PCB 包含模擬和數字元件，則必須非常小心地放置接地連線。電路板的模擬部分和數字部分應該在物理上分開，但它們仍然需要連線到電源返回路徑。
有些人可能會建議將數字地和模擬地完全分開，然後使用鐵氧體磁珠將它們連線起來，但這可能會產生比它所解決的更多的 EMI 和噪聲問題，尤其是當在非常高的頻率下工作時。
連線這些部分的一個好方法是將電源返回路徑放置在兩個平面之間，這樣任何一個部分的返回電流都不會進入另一個平面。重要的是要注意，不應在兩個接地層之間的間隙上佈線任何走線，因為這會產生很長的電流返回路徑，極易受到 EMI 的影響。接地層之間的空間可用於放置 ADC 等混合訊號元件。
如果 PCB 的兩側都有接地層，它們將透過板上許多不同位置的過孔連線。這些通孔是穿過電路板並將兩側相互連線的孔，允許從任何可以插入通孔的地方訪問接地層。
使用過孔可以幫助你避免接地環路。它們將元件直接連線到接地點，接地點透過低阻抗連線到電路的所有其他接地點，同時還有助於縮短返回迴圈的長度。
接地平面通常在流入它的電流頻率的特定波長處諧振。你應該在接地層周圍以精確的間隔放置過孔，以避免接地層諧振。帳篷通孔是 PCB 板的一個重要方面，因為它們透過通孔將熱量吸收到板的另一側，從而有助於冷卻熱執行的元件。
在 PCB 板佈局沒有過孔的情況下，可以使用小型鑽孔機鑽幾個孔，然後將銅穿過孔並焊接，從而實現兩側的連線。
去耦是在積體電路晶片旁邊實施LC 網路提供瞬態開關電流的過程。為積體電路晶片安裝電源引腳將它們連線到外部電源。此外，還包含將它們連線到 PCB 接地層的接地引腳。
應該在電源引腳和組平面之間 放置去耦電容，以消除由晶片中提供的電壓產生的振盪。
去耦電容對於改善和增強 PCB 的功能至關重要。電容設計用於儲存電荷，因此 PCB 中的去耦電容充當電荷儲存裝置。
因此，如果 IC 需要更多電荷，則去耦電容透過低電感路徑向 IC 提供電荷。除了增強 PCB 功能外，去耦電容還可以有效降低 多層平面上電源產生的噪聲。此外，去耦電容還降低了 EMI。
在聯結器中，所有訊號線必須並行執行。因此，你必須使用接地引腳分離聯結器。
每塊電路板可能需要多個聯結器引腳連線到地。只有一個引腳可能會導致阻抗不匹配問題，從而導致振盪。如果兩個連線導體的阻抗不匹配，它們之間流動的電流可能會來回反彈，這些振盪會改變系統的效能並導致其無法按預期工作。
聯結器的每個引腳的接觸電阻很低，但可能會隨著時間的推移而上升。因此，最好使用多個接地引腳。PCB 聯結器中大約 30% 到 40%的引腳應該是接地引腳。
聯結器有不同的間距，並且可以有不同數量的引腳排，聯結器的引腳也可以平行於 PCB 表面或與其成直角。
無論是單層 PCB 還是多層 PCB ，都需要一個點來將所有接地點連線在一起。這可能是機箱上的金屬框架或 PCB 上的專用接地層，你通常會聽到將這個公共接地點稱為星形接地。
確保儘量減少接地路徑上的串聯過孔，而是將元件接地直接傳送到專用接地層。
新增到電路板的通孔越多，必須處理的阻抗就越大，這對於可以將阻抗路徑變成電壓差的快速瞬態電流尤其重要。
在進行任何佈線之前，請務必先正確設計的地面，這是整個路由過程的基礎。
許多設計人員只考慮他們的訊號傳輸到哪裡，但每個訊號都有一條返回路徑透過地面。訊號的傳送和返回路徑將具有相同的電流，這會影響電源穩定性和接地反彈。
你可以使用基爾霍夫電流定律來了解電流將如何透過你的電路。
在多層 PCB 中，堆疊中電源、訊號和接地層的排列對訊號完整性有重大影響，並將影響佈線策略。
將接地層保持在訊號層附近以最小化電流的返回路徑非常重要。在 4 層板中，電源層和接地層通常位於內層，而訊號走線和元件位於外兩層。
在多層 PCB 的板之間傳送接地連線時，始終計劃動態變化。在處理需要長距離電纜的應用時尤其如此。
對於這些情況，你可以使用低壓差分訊號、光隔離器和共模扼流圈來控制變化。
電路板的模擬部分需要分開，這包括模數轉換器和數模轉換器。
在設計 PCB 的“平面圖”時，務必將這些區域隔離開來。ADC 的接地可以連線到一個公共接地點，數字訊號可以透過該接地點傳遞到 PCB 的其他部分。
根據經驗，“接地迴路”一詞可以指系統受到接地電位差異影響的任何情況。一個典型的例子是，當兩個模組透過一根長電纜連線時，電纜中的返回電流導致一個模組的接地電壓明顯高於另一個模組的接地電壓。不過，這裡專門指的是接地迴路。例如：
如果你必須使用單獨的 PCB 走線進行大量接地連線，則建立如上圖所示的環路其實很容易。
接地平面的存在並不意味著不可能建立接地迴路，因為 CAD 程式不會阻止你在接地點之間繪製軌跡。但是，如果你始終使用過孔或通孔進行接地連線，那麼問題應該會在很大程度上消失：透過將過孔放到平面上，你可以直接從元件連線到接地點，該接地點透過低阻抗連線到所有其他接地電路中的點。
在 PCB 佈局中正確放置元件很重要。可以在元件正下方進行分割接地層的連線，以避免接地迴路。
在具有多個子系統的 PCB 佈局中，可以仔細布置混合訊號元件，以便在元件下方連線板分割槽以避免接地環路。
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