一种基于EMC的PCB接地设计的制作方法

一种基于emc的pcb接地设计
技术领域
1.本发明涉及pcb接地设计技术领域，尤其涉及一种基于emc的pcb接地设计。


背景技术：

2.电磁兼容性(emc，即electromagnetic compatibility)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。
3.现有产品中，如电机控制器，整车控制器，换挡执行器，电池管理器等产品，在进行emc测试时，部分产品可以满足要求，部分产品严重超标，即使设计方案一样，原理图一致，使用的器件相同，工作条件相同，只是pcb存在差异，却出现测试结果巨大差异，有的可以通过emc测试，有的就不能通过emc测试。而接地是抑制电磁干扰、提高电子设备emc性能的重要手段之一。正确的接地方式既能提高产品抑制电磁干扰的能力，又能减少产品对外的emi发射。
4.为了减少因pcb导致的测试差异，pcb设计过程中需要制定良好的pcb接地方案，必须对接地的一些方面进行管理，包括控制可能导致性能降低的杂散接地和信号返回电压，这些电压可能是由于外部信号耦合，公共电流导致，也可能只是由于接地导线中的过度ir压降导致的。适当的布线，布线尺寸，以及差分信号处理和接地隔离技术，可以使我们能够控制此类寄生电压，最终使我们的产品能够满足mec的要求。
5.pcb接地设计是系统设计中最为棘手的问题之一。尽管它的概念相对比较简单，实施起来却很复杂，它没有一个简明扼要可以用详细步骤描述的方法来保证取得良好效果，但如果在某些细节上处理不当，可能会导致系统emc无法达标，即使反复调整系统设计也可能无法满足emc要求，在投入大量人力、物力的情况下可能设计出一款失败的产品，这是不能接受的，因此我们需要在pcb接地设计进行理论分析，合理划分，短接，避免不同区域的干扰信号相互串扰，导致影响整个系统的设计。
6.对于线性系统，pcb的地是信号的基准点，所有的信号都是相对地之间的电压，在单极性电源系统中，地还是电源电流的回路，若接地方案不当，信号上的纹波、噪声等干扰信号可能会比较多，导致信号与理论值差异较多，若系统对于某些信号要求比较高，这种情况会严重损害高精度线性系统的性能，增加设计难度。
7.因此，急需一种技术来解决上述技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服上述现有技术的问题，提供了一种基于emc的pcb接地设计，用于解决传统产品系统中emc测试无法达标，以及在线性系统中若接地方案不当，信号上的纹波、噪声等干扰信号可能会比较多，导致信号与理论值差异较多，若系统对于某些信号要求比较高，这种情况会严重损害高精度线性系统的性能，增加设计难度的技术问题。
9.上述目的是通过以下技术方案来实现：
10.一种基于emc的pcb接地设计，包括：
11.在pcb上将系统划分为模拟系统、数字系统和电源系统，所述电源系统分别为所述模拟系统提供模拟电源供电，为所述数字系统提供数字电源供电；
12.所述模拟系统包括模拟地，所述数字系统包括数字地，所述电源系统包括电源地；所述模拟地通过第一电阻r1短接到所述电源地，所述数字地通过第二电阻r2短接到所述电源地，用于将电流汇流到所述电源地；所述电源地通过第三电阻r3和第一电容c1连接到产品的外壳；
13.所述pcb包括接地层和电源层，所述接地层供所述模拟地、所述数字地和所述电源地连接，所述电源层供所述模拟电源和所述数字电源供电；所述接地层和电源层通过连续铺铜而成。
14.进一步地，所述第三电阻r3的阻值和所述第一电容c1的容值可调。
15.进一步地，所述pcb还包括底层，所述底层采用地铺层设计。
16.进一步地，所述接地层和所述电源层上无割裂。
17.进一步地，在所述接地层上所述模拟地、所述数字地和所述电源地互不重叠。
18.进一步地，所述模拟地、所述数字地和所述电源地之间可通过跳线连接。
19.进一步地，所述第一电阻r1和所述第二电阻r2均为0603贴片电阻，额定功率为1/10w；所述第三电阻r3为0805贴片电阻，额定功率为1/8w。
20.进一步地，所述第一电容c1为0805贴片电容，常规耐压为16v～50v。
21.有益效果
22.本发明所提供的一种基于emc的pcb接地设计，通过将系统划分为电源系统，模拟系统，数字系统，不同系统区分电源供电，使用不相同的地，模拟系统和数字系统电流回路到电源系统，两种之间的地物理隔离，不形成相互之间的串扰，同时在pcb布局时注意关键信号，易被干扰信号注意走线，使用pcb上的地层进行屏蔽。通过这种pcb接地设计方案，系统的emc能够有效得到改善，可以整体提升产品的稳定性，可靠性，安全性等。
附图说明
23.图1为传统pbc接地示意图；
24.图2为本发明所述一种基于emc的pcb接地设计中模拟地、模拟地赫尔电源地连接示意图；
25.图3为本发明所述一种基于emc的pcb接地设计的框架图；
26.图4为本发明所述一种基于emc的pcb接地设计的板层结构示意图；
27.图5为传统pbc的接地层割裂现象示意图；
28.图6为本发明所述一种基于emc的pcb接地设计的接地层无割裂现象示意图。
具体实施方式
29.下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.如图2和3所示，本方案提供一种基于emc的pcb接地设计，旨在说明适用于大多数混合信号器件的接地方案，不需了解内部电路的具体细节，处理pcb接地问题的关键在于理
解电流的流动方式，以及电流汇流的参考点位，若处理不当，会导致模拟信号和数字相互串扰，影响系统的性能。本方案主要包括：
31.在pcb上将系统划分为模拟系统、数字系统和电源系统，所述电源系统分别为所述模拟系统提供模拟电源供电，为所述数字系统提供数字电源供电；
32.其中，所述模拟系统包括模拟地，所述数字系统包括数字地，所述电源系统包括电源地；所述模拟地通过第一电阻r1短接到所述电源地，所述数字地通过第二电阻r2短接到所述电源地，用于将电流汇流到所述电源地；所述电源地通过第三电阻r3和第一电容c1连接到产品的外壳；
33.所述pcb包括接地层和电源层，所述接地层供所述模拟地、所述数字地和所述电源地连接，所述电源层供所述模拟电源和所述数字电源供电；所述接地层和电源层通过连续铺铜而成。
34.具体的，本方案根据不同模块抗扰能力不同，需求精度不同，对于整个系统进行合理的划分，把整个系统按照功能，划分为电源系统，模拟系统和数字系统(若有还有其他的也可以划分未单独的模块)，通过合理的pcb划分方案，有效解决系统中不同模块之间的串扰问题，同时灵活运用电流环路产生的磁场方向，使不同系统之间的磁场方向可以起到抵消的效果，可以有效改善系统运行的内部环境，也减少了系统对外的传导发射和辐射发射。同时运用单独的地层和电源层的设计方案，可以有效降低外部系统对内部系统的干扰，内部模块之间的干扰，保证良好的工作环境。
35.实施例1
36.如图2所示，本实施例将系统划分为低压供电的电源系统，模拟系统和数字系统，其中，所述模拟系统包括模拟地，所述数字系统包括数字地，所述电源系统包括电源地；整体设计上采取类似星型接地设计方案，模拟地通过第一电阻r1短接到电源地，数字地通过第二电阻r2短接到电源地，电源地和数字地不直接连接，电流都汇流到电源地，同时模拟系统和数字系统通过不同的电源供电，可以有效减少数字系统对模拟系统的干扰。
37.电源地通过第三电阻r3和第一电容c1连接到产品的外壳，根据不同的产品可以调整第三电阻r3的阻值和第一电容c1的容值，俗称大地。
38.具体的，所述第一电阻r1和所述第二电阻r2均为0603贴片电阻，额定功率为1/10w；所述第三电阻r3为0805贴片电阻，额定功率为1/8w。
39.所述第一电容c1为0805贴片电容，常规耐压为16v～50v。
40.实施例2
41.如图1所示，为传统的pcb接地设计方案，其将电源系统、模拟系统和数字系统共用电源和地后全部连接到产品外壳，俗称大地，这种设计方案存在串扰情况，不易实现产品的emc设计需求。
42.具体的，该设计方案没有把模拟系统和数字系统分开，共用一整块接地层。这样的设计方案导致数字系统会对模拟系统产生影响，降低模拟系统的性能，同时这种设计方案在emc测试过程中发现emi和ems测试项目都存在易超出标准限值要求，不能满足设计要求。
43.若产品使用在混合动力汽车上面，需要高性能，高可靠性，不能出现易被干扰的现象，同时由于汽车上面有高电压，大电流，线束长，环路大，使用环境非常恶劣，这对产品的设计提出了更严格的要求，在方案设计过程中必须充分考虑设计细节，不仅仅是从原理方
案上面的考虑，如增加滤波器件，选用精度高的器件，增加设计余量等，还需要考虑系统应用场景，如何减少外部信号对系统的干扰，如何降低内部系统之间的串扰，同时还需要减少系统对外部信号的干扰。如果细节考虑不到位，可能会导致产品的emc不能满足设计需求，使用过程中存在隐患，若车辆在运行过程中出现关键功能失效的情况，可能会导致安全事故，非常危险。
44.如图3所示，本方案提出给模拟系统和数字系统单独电源供电，电源回路单独汇流到电源系统的地，后通过一定阻值的电阻和一定容值的电容连接到产品外壳，俗称大地，这种设计方案可以有效降低系统之间的串扰情况，容易实现产品的emc设计需求。
45.具体的，将系统里面的模拟电路赋予单独的模拟地，数字电路赋予单独的数字地，这是由于数字电路在开关过程中会短暂地从电源吸入电流，会产生较大的噪声信号，且由于数字电路的抗扰能力强，可达数百毫伏以上，因此通常对电源去耦的要求不高。
46.相反，模拟电路非常容易受噪声影响，包括在电源轨和接地轨上，为了防止数字噪声影响模拟性能，需要把模拟系统和数字系统分开处理，通过物理上的分离，确保数字电流不会流入系统模拟部分的地，可以有效把数字电路的串扰信号断开，系统中的模拟地和数字地通过电源地相连，让信号都参考相同的电位，pcb布局时也按照模拟系统和数字系统分开，提高系统的性能，也可以有效改善产品的emc。
47.实施例3
48.如图4所示，作为本方案中pcb的优化，根据现有产品的需求，目前pcb使用的都是4层板材pcb或6层板材pcb，选择其中的1层用作地(接地层)和1层用作电源(电源层)，由连续铺铜制造，其理论基础是大量金属具有可能最低的电阻。
49.同时由于大面积的铺铜，它也具有可能最低的电感，若条件允许，底层也会进行大面的地铺层设计，尽可能低的降低耦合路径。
50.因此，它提供了最佳导电性能，包括最大程度地降低导电平面之间的杂散接地差异电压。
51.接地层可以作为去耦低阻抗电流返回路径，能将emi/rfi辐射降至最低，降低系统对外辐射影响，同时由于接地层和电源层的屏蔽作用，电路受外部emi/rfi的影响也会降低，提升系统对外部因素的抗扰能力。
52.实施例4
53.如图5所示，传统的pcb的地层存在割裂现象，这种接地层割裂会导致电路电感增加，而且电路更容易受到外部电场和磁场的影响，降低产品性能和可靠性。
54.因此，如图6所示，本方案将pcb设计单独完整的电源层和接地层，不存在割裂的情况，虽然会增加一定成本，但是具有良好的屏蔽效果，信号传输环境更好，可以有效提高产品的性能和可靠性，降低使用过程中的风险。
55.具体的，在pcb设计过程中，避免接地层的割裂设计。如果导线下方的接地层上有割裂，接地层返回电流会环绕裂缝流动，这会导致电路电感增加，电路也更容易受到外部场的影响。
56.当割裂是为了使两根导线垂直时，如果通过飞线将第二根信号线跨接在第一根信号线和接地层上方，效果是最佳的，此时，接地层用作两根信号线之间的屏蔽层，且由于趋肤效应，两路低返回电流会在接地层的上下表面各自流动，互不干扰。
57.4层板和6层板能够支持信号线交叉和连续接地层，而无需考虑链路问题，虽然价格较高，不如双面板调试方便，但是屏蔽效果好，信号链路更佳。相关原理保持不变的情况下，布局布线选项更多，更佳。
58.本方案中，pcb必须至少有一层专用接地层，初始布局时应提供非重叠的电源地、模拟地和数字地(即所述接地层上所述模拟地、所述数字地和所述电源地互不重叠)，如果需要，应在数个位置提供焊盘和过孔，以便安装背对背肖特基二极管，磁珠，电阻等器件，若设计需要，可以使用跳线将电源地、模拟地或数字地连接在一起，这样可以有效改善系统emc，提高系统性能。
59.本方案有效解决了现有接地方案没有对系统进行划分，杂乱的排布在一起，模拟信号和数字信号会串扰，大电流会流过关键模块，地层出现割裂情况，关键和易被干扰信号没有使用地层屏蔽，产品在emc测试时也会出现被干扰现象，对外的发射信号也超出限值要求，严重影响项目开发进度的技术问题。
60.通过改进pcb接地的设计方案，把系统按照不同的功能划分，抗扰性好，对外干扰大的数字系统划分在一起，使用专用数字电源供电，抗扰性差，要求高，但对外干扰小的模拟系统划分在一起，使用专用模拟电源供电。
61.数字系统和模拟系统都汇流到电源系统，两者直接不直接短接，pcb布局上物理隔离。通过这种pcb设计方案，数字系统产生的干扰信号不会直接传输到模拟系统，会先经过电源系统的滤波电路，这样可以大大降低模拟系统的干扰信号和噪声。
62.由于模拟采用单独电源供电，电源纹波减小时可以提升模拟系统的工作性能。同时通过专用的接地层，以及对接地层的分割，合理使用接地层的屏蔽作用，可以有效保护关键信号，易受干扰信号等的正常工作，不受外部和内部信号的干扰。
63.通过有效的pcb接地设计方案，可以有效促进产品emc的测试验证，有效降低产品emc验证时间，验证费用，有效提升产品的性能，可靠性，安全性，还可以有效缩短了产品推向市场的周期，具有实用的经济效益。
64.以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于emc的pcb接地设计，其特征在于，包括：在pcb上将系统划分为模拟系统、数字系统和电源系统，所述电源系统分别为所述模拟系统提供模拟电源供电，为所述数字系统提供数字电源供电；所述模拟系统包括模拟地，所述数字系统包括数字地，所述电源系统包括电源地；所述模拟地通过第一电阻r1短接到所述电源地，所述数字地通过第二电阻r2短接到所述电源地，用于将电流汇流到所述电源地；所述电源地通过第三电阻r3和第一电容c1连接到产品的外壳；所述pcb包括接地层和电源层，所述接地层供所述模拟地、所述数字地和所述电源地连接，所述电源层供所述模拟电源和所述数字电源供电；所述接地层和电源层通过连续铺铜而成。2.根据权利要求1所述的一种基于emc的pcb接地设计，其特征在于，所述第三电阻r3的阻值和所述第一电容c1的容值可调。3.根据权利要求1所述的一种基于emc的pcb接地设计，其特征在于，所述pcb还包括底层，所述底层采用地铺层设计。4.根据权利要求1所述的一种基于emc的pcb接地设计，其特征在于，所述接地层和所述电源层上无割裂。5.根据权利要求1所述的一种基于emc的pcb接地设计，其特征在于，在所述接地层上所述模拟地、所述数字地和所述电源地互不重叠。6.根据权利要求5所述的一种基于emc的pcb接地设计，其特征在于，所述模拟地、所述数字地和所述电源地之间可通过跳线连接。7.根据权利要求1所述的一种基于emc的pcb接地设计，其特征在于，所述第一电阻r1和所述第二电阻r2均为0603贴片电阻，额定功率为1/10w；所述第三电阻r3为0805贴片电阻，额定功率为1/8w。8.根据权利要求7所述的一种基于emc的pcb接地设计，其特征在于，所述第一电容c1为0805贴片电容，常规耐压为16v～50v。

技术总结
本发明涉及PCB接地设计技术领域，具体是一种基于EMC的PCB接地设计，在PCB上将系统划分为模拟系统、数字系统和电源系统，所述电源系统分别为所述模拟系统提供模拟电源供电，为所述数字系统提供数字电源供电；所述模拟系统包括模拟地，所述数字系统包括数字地，所述电源系统包括电源地；所述模拟地通过第一电阻R1短接到所述电源地，所述数字地通过第二电阻R2短接到所述电源地，用于将电流汇流到所述电源地；所述电源地通过第三电阻R3和第一电容C1连接到产品的外壳；所述PCB包括接地层和电源层，通过连续铺铜而成。通过本方案，系统的EMC能够有效得到改善，可以整体提升产品的稳定性，可靠性，安全性。安全性。安全性。


技术研发人员：康俊 张道远 张佳林
受保护的技术使用者：无锡明恒混合动力技术有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/21