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如如何减弱“PCB地弹效应”

2022-06-10 09:00:37

1、什么是地弹

1.1、地弹的概念

地弹、振铃、串扰、信号反射······这几个在信号完整性分析总是分析的重点对象。初学者一看:好高深! 其实,感觉高深是因为你满天听到“地弹”二字,却到处找不到“地弹的真正原理”。 如果你认真读笔者的“噪声的起源”章节,其实你已经认识了地弹! 地弹,就是地噪声!

1.2、为何叫地弹

既然是地噪声,为啥叫“地弹”?为什么既然是一样的东西,却换了个名称,害的我苦苦思索不得其解?

低频时,地噪声主要是因为构成地线的导体有“电阻”,电路系统的电流都要流经地线而产生的电势差波动。

高频时,地噪声主要是因为构成地线的导体有“电感”,电路系统的电流快速变化地经过这个“电感”时,“电感”两端激发出更强的电压扰动,形象的称为“地弹”。

地弹,一般对IC而言。因为芯片内部的“电路地”和芯片的“地引脚”实际上是用一根很细很细的金线连接起来的,所以这个金线电感较大,所以可能会导致芯片内部电路的地和现实PCB的地有强烈的“电压差波动”——很强的地弹现象!

这个地弹不像PCB板那样,可以通过增加去耦电容减弱。 假设你有一块B PCB板,一块A主板;B PCB板插在主板上使用。再假设A、B的地线连接点不够大,当A、B间有高速信号通讯时,B板上的“地平面”和A板上的“地平面”将有较大的“地间电压差波动”。这同样是一种PCB板上的“地弹效应”。

地弹,其实是“地噪声”的别名而已,理解就好!估计你不用往下看都可以了。

2、地弹形成的机理和危害

本来不想写地弹的机理,感觉与“噪声的起源”重复了。但思来想去,感觉这么经典的问题,还是不怕多提几下,所以又写了下来。

2.1、地弹形成的机理

如下图,红色框内代表数字电路。“噪声的起源”章节中已经讲述:当下图中S5在不断的向左右切换时,由于地线上E、A间的R14电阻的存在,E点将相对于A点产生电势差。在高频状态下,E、A电势差的主要起因不再是“E、A间的电阻”,而是“E、A间的电感”。

“E点的地”相对于“A点的地”的地噪声就是电路系统工作时的地弹现象。

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2.2、地弹的危害

下图,也是“噪声的起源”章节的内容,地噪声(地弹)相当于在一个“拥有理想地”的电路中,被外部“输入地噪声”。 那么,假设E点上存在着1MHz的地噪声,这会有什么危害?

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2.2.1、地噪声使所有信号线上出现噪声由上一章“地环路的危害”分析可知,假设上图中框内的数字模块有20根信号线,那么地噪声将直接反应在20根信号线上,从而影响这些信号的波形质量,并通过这20根信号线向外辐射。

2.2.2、地弹使地线产生辐射

也许你会问:地线也会产生辐射? 也许你阅读了某些讲PCB布线的书籍上描述到:不正确的铺地将产生“地线辐射”,加重干扰!——但是你不明白其原理,甚至怀疑书本作者有没有写错! 那我告诉你,地线真有可能存在辐射!

下图是一个单面PCB板的布线示意图。蓝色线代表从E点连出来的地线,细长地走单独分布在PCB板边缘,不和任何电子模块连接。

由于该例子中,E点相对于A点存在1MHz的地噪声,那么整条蓝色的地线都相对于A点存在1MHz的噪声。而由于这条地线长长地拉在PCB板的边缘,这条线像一根发射天线那样(长长的形状、上面有1MHz的“将要发射的信号”),不断地发射“地噪声”。

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3、如如何减弱“PCB地弹效应”

3.1、增加恰当的去耦电容

实际上,为了减小1MHz对整个电路的干扰,我们在D、E点间加入去耦电容C7。如图示。那么,这个电容的作用是什么?

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其等效电路分析如下(注意,该等效电路不是非常准确,但是能说出大致原理,模型请读者在技术上进阶后自行思考分析): 由于C的容抗为:Zc=1/(2πfc),故对于电源和地的1MHz的噪声而言,等效为图3.1-2的R34。

由于R34的阻抗远远小于(R32 + R33 + R35),而“噪声信号源”(即:图中的数字电路模块)又有相当大的“内阻”,所以会产生2个效果:1、“噪声信号源”的大部分能量将通过R34——因而大部分噪声能量通过图中的“(1)”环路构成较小的环流路径而消失掉,这部分能量虽然强,但是不会干扰“(1)”以外的电路;只有小部分能量“逃出”“(1)”环路,以较弱的能量干扰其他电路。2、“噪声信号源”的1MHz方波干扰将不复存在,将被C7滤成图中实线表示的类似正弦波的变化平滑的波形。

这样的好处是:1、环路面积减小,高频的辐射能量减轻,EMC干扰将大大减小;2、方波干扰变成正弦波干扰,其高次谐波分量将大大减小,所以其干扰能力也大大减弱! 哈哈,太和谐了! 现在,你是否明白了:为什么数字芯片电源端一般要得接一个电源去耦电容?为什么很多讲PCB布线的书籍上都会出现“要添加电源去耦电容”?

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3.2、用粗短的“地线”

由于地线存在电阻、电感而产生地噪声。所以,我们要减小地线的“电阻、电感”。 当地线增大、长度减短时,其电阻和电感会减小,从而成功减小地噪声。这样,地弹将大大减小!

所以在PCB Layout布线时,能用粗的地线就不要用细的地线;能用短的地线就不要用长的地线。

注意:不要为了减短一点点地线而盲目地加长N倍的电源线,电源与地都是非常重要的,必须具体问题具体分析。所以还是那句——读者得注重原理,而不是具体的“减短地线的做法”。

4、重点

1、地弹,就是地噪声

2、地弹使地线产生辐射

3、增加恰当的去耦电容可减弱模块间的地弹效应

4、注重原理,而不是具体的做法


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