从PCB布局到编程的设计决策,了解地面反弹是什么以及如何避免它。
大多数本科工程师都没有教过PCB设计。从某个角度来看,前几代电子设备相当宽容,设计错误仍然可以让您创建一个功能板。我们知道这一点是因为,如果您在这个业务上花费大量时间查看其他人制作的原理图和PCB设计,您将很快发现生产PCB上的疏漏,错误和明显的错误。你甚至可能会在自己过去的设计中发现错误。
这些错误已经滑落,部分原因是董事会无论如何都会工作 - 即使只是勉强。
但是,随着我们向更小的方向发展更快,更低功耗的威廉希尔官方网站 ,我们如何创建威廉希尔官方网站 板非常重要。 AsDr。 Eric Bogatin-Teledyne LeCroy物理学家和自称为“信号完整性传播者”的人说:
“除非你有令人信服的理由不使用,否则请使用最佳设计实践。”
本文提供了有关地面反弹原因的信息以及如何在您的设计中缓解它的一些最佳实践。
什么是地面反弹?
接地反弹是晶体管开关过程中发生的一种噪声,当PCB接地和芯片封装接地电压不同时。
为了帮助解释接地反弹的想法,请举例说明。下面的推挽威廉希尔官方网站 可以提供逻辑低电平或逻辑高电平输出。
图1。 推挽威廉希尔官方网站
威廉希尔官方网站 由两个MOSFET组成:上部p沟道MOSFET的源极连接到Vss,漏极连接到输出引脚。下部n沟道MOSFET有其漏极连接到输出引脚,其源极接地。
这两种MOSFET类型对MOSFET栅极电压的响应相反。 MOSFET栅极上的输入逻辑低信号将使p沟道MOSFET将Vss连接到输出,而n沟道MOSFET将输出与Gnd断开。 MOSFET栅极上的输入逻辑高信号将导致p沟道MOSFET将其Vss与输出断开,并使n沟道MOSFET将输出与Gnd连接。
将IC芯片上的焊盘连接到IC封装的引脚是微小的键合线。这些机械必需品具有少量电感,由上面的简化威廉希尔官方网站 建模。威廉希尔官方网站 中肯定存在一定数量的电阻和电容,这些电阻和电容没有建模,也不一定需要理解以下概述。
全桥开关的等效威廉希尔官方网站 中显示了三个电感器。电感符号表示封装电感(IC封装设计中固有的电感),威廉希尔官方网站 输出连接到某些元件(不允许浮动)。
想象一下在输入被保持后遇到这个威廉希尔官方网站 在很长一段时间后处于逻辑低电平。这种状态会导致上部晶体管通过上部MOSFET将威廉希尔官方网站 输出连接到Vss。经过适当长时间后,L O 和L A 中存在稳定的磁场,ΔV O 的电位差ΔV A ,ΔV B 为0伏。少量电荷将存储在迹线中。
输入逻辑切换到低电平,上部MOSFET将Vss与输出断开,下部栅极将触发下部MOSFET将威廉希尔官方网站 输出连接到GND。
这是有趣的事情发生的地方 - 目前输入逻辑发生变化,后果在整个系统中移动。
接地反弹的原因
输出和地之间的电位差导致电流从通过下部MOSFET输出到地。电感器使用存储在其磁场中的能量来建立电位差,并且跨越ΔV O 和ΔV B ,试图抵抗磁场的变化。
即使它们是电连接的,输出和地之间的电位差也不会立即为0 V.请记住,输出先前为Vss,MOSFET B的电源先前为0 V电位。先前的电位差将导致电流在输出线放电时流动。
在电流开始从输出下降到地的同时,封装的电感特性会产生电位差。 ΔV B 和ΔV O 试图保持先前建立的磁场。
电感L B 和L O 改变MOSFET的源极和漏极电位。这是一个问题,因为MOSFET栅极电压以芯片封装的地为参考。当威廉希尔官方网站 在栅极触发阈值附近振荡时,输入电压可能不再足以保持栅极开路或导致其打开多次。
当威廉希尔官方网站 再次切换时,类似情况会导致在ΔVA之间建立的电位可以将MOSFET A的源极电压降低到触发阈值以下。
为什么IsGround反弹不好?
目前输入改变状态,输出和MOSFET不再处于定义状态 - 它们介于两者之间。结果可能是错误切换或双切换。此外,IC芯片上任何其他共享相同的Gnd和Vss连接的部件都会受到开关事件的影响。
但接地反弹的影响不仅限于IC芯片。正如ΔVB强制MOSFET源极电位高于0V一样,它会强制威廉希尔官方网站 电位低于0V。您看到的大部分图像都显示出反弹效果。
如果您同时切换多个门,效果复杂,可以完全破坏你的威廉希尔官方网站 。
你可以在下面的例子中看到反弹。
图2中的信号线显示了重要的Gnd和Vss反弹。 BeagleBone Black计算机连接并激活了LightCrafter斗篷。
这里,在切换期间3.3V线路上产生大约~1V的噪声,在最终落入背景线之前在信号线中继续明显共振噪音。
图2. 来自BeagleBone Black的信号线,连接并激活LightCrafter盖。
噪声不仅限于切换的门。开关门连接到IC电源引脚,PCB通常共用公共电源和接地轨。这意味着噪声很容易通过Vss上的直接电气连接和芯片上的接地或PCB上走线的耦合传递到威廉希尔官方网站 中的其他位置。
图3. 此图片是从附有LightCrafter斗篷的BeagleBone Black拍摄的。
在图3中,通道2(上面的青色显示)显示了无阻尼信号线中的地和Vss反弹。问题非常严重,它通过电报传输到通道1上的信号线不同(以黄色显示)。
降低接地反弹的方法:PCB设计技巧
方法#1:使用去耦电容器来定位接地反弹
降低接地反弹的首选解决方案是在每个电源轨和地之间安装SMD去耦电容,尽可能靠近IC。远距离去耦电容具有较长的走线,可以增加电感,因此远离IC安装它们对您没有任何好处。当IC芯片上的晶体管开关状态时,它们将改变芯片上的晶体管和本地电源轨的电位。
去耦电容为IC和IC提供暂时的低阻抗,稳定电位。定位反弹效果,防止其扩散到威廉希尔官方网站 的其余部分。通过使电容器靠近IC,可以最大限度地减少PCB走线中的电感环路面积并减少干扰。
新设计人员的注意事项:去耦电容并不总是显示在原理图上有时在数据表中没有提到。这并不意味着设计不需要它们。去耦电容被认为是成功设计的基础,作者会假设您知道您需要它们,有时会从原理图中移除它们以减少混乱。选择100nf(0.1 uF)X7R或NP0陶瓷,除非数据表另有指示。
混合信号IC通常具有独立的模拟和数字电源引脚。 您应在每个电源输入引脚上安装去耦电容。电容应位于IC和连接到PCB上相关电源层的多个过孔之间。
去耦电容应连接到带过孔的电源层。
多个过孔是首选,但由于威廉希尔官方网站 板尺寸要求,通常不可能。如果可以,使用铜浇注或泪珠连接过孔;如果钻头稍微偏离中心,额外的铜有助于将通孔连接到迹线。
上面显示的是IC(U1)和四个电容(C1,C2,C3,C4)的铜焊盘。 C1和C2是用于高频干扰的去耦电容。根据 数据表 建议将C3和C4添加到威廉希尔官方网站 中。由于对其他平面的限制,通过放置并不理想。
有时在物理上不可能将去耦电容放在IC附近。但是,如果你将它放置在远离IC的地方,你就会产生一个感应回路,使你的接地反弹问题变得更糟。幸运的是,这个问题有解决办法。
去耦电容可以放在相反的位置在IC下面的威廉希尔官方网站 板的一侧。
并且,在绝望的情况下,您可以使用相邻层上的铜在威廉希尔官方网站 板内部制造自己的电容器。这些被称为嵌入式平面电容器,由并行的铜浇注组成,由PCB中非常小的介电层隔开。这类电容器的另一个好处是唯一的成本是设计人员的时间。
方法#2:使用电阻器来限制电流
使用串联的限流电阻,以防止过多的电流流入和流出IC。
这不仅有助于降低功耗,还可以防止设备过热,但会限制电流从输出线通过MOSFET流向Vss和Gnd轨道,减少接地反弹。
方法#3:使用布线来降低电感
如果可能,保留相邻迹线或相邻层的返回路径。由于存在厚芯材料,威廉希尔官方网站 板上第1层和第3层之间的距离通常是第1层和第2层之间距离的几倍。信号和返回路径之间的任何不必要的分离都会增加该信号线的电感以及随后的反弹效应。
让我们评估一个真实的威廉希尔官方网站 板示例。在下图中,您可以看到Arduino Uno的PCB布局。
模拟和数字 Gnds 在分别为白色和黄色。
正如您所看到的,威廉希尔官方网站 板具有用于模拟和数字的独立接地返回引脚,这很好。然而,董事会的布局否定了分离它们的任何积极影响。 IC的数字接地引脚和插头行上的接地引脚之间没有明确而直接的路径。
信号将从IC中取出迂回路径到达引脚引脚和通过回路的复杂路径接地引脚。因为Arduino Uno是这个星球上最受欢迎的威廉希尔官方网站 板之一,所以这是一个很好的例子,“你布局威廉希尔官方网站 板的方式并不重要。”
如果这个例子激起了你的好奇心,查看我们关于Arduino Uno硬件设计的文章。
通过编程和设计考虑减少接地反弹
接地反弹中断随着开关门数量的增加而增加。如果可能,在你的设计中,用一个很短的延迟来偏移开关门。
例如,你可能有一个设计以不同的间隔(1秒,2秒,3秒等)闪烁各种LED 。。。)表示您的设计状态。当所有三个LED同时切换时,接地反弹效应将最大程度地影响威廉希尔官方网站 。
在此示例中,您可以通过略微偏移LED来减轻接地反弹的影响,因此它们不会完全同步。在LED之间引入1ms的偏移对于您的用户来说是难以察觉的,但会将地面反弹效应降低~3倍。
最佳实践摘要
接地和Vss弹跳是由对快速上升/下降时间的感应响应引起的。您可以通过适当的布局和威廉希尔官方网站 板设计实践来最小化接地反弹对威廉希尔官方网站 的影响。
一些减少接地的方法反弹包括:
保持去耦电容尽可能靠近IC。
选择上升/下降时间较慢的IC。
同时防止尽可能切换。
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