더 나은 회로 성능을 위해 PCB 가어딩 기술을 비교

접지는 PCB 디자인의 이름이없는 영웅입니다. 종종 간과됩니다. 접지 전략이 좋지 않은 회로는 잘 갖추어 진 회로를 시끄럽고 EMI-Prone 실패로 바꿀 수 있으며, 올바른 기술은 신호 무결성을 높이고 EMI (Electromagnetic Interference)를 최대 20 dB까지 줄이고 고속 또는 혼합 서명 설계에 대한 안정적인 성능을 보장 할 수 있습니다. 저주파 회로를위한 간단한 단일 포인트 접지에서 항공 우주 시스템을위한 고급 하이브리드 방법에 이르기까지 올바른 접지 접근 방식을 선택하는 것은 회로 유형, 주파수 및 레이아웃 제약 조건에 따라 다릅니다. 이 안내서는 가장 효과적인 PCB 접지 기술, 장단점 및 프로젝트에 대한 완벽한 것을 선택하는 방법을 세분화합니다.

주요 테이크 아웃
1. 고독 지상 평면은 보편적입니다 : EMI를 20dB로 줄이고, 저임금 반환 경로를 제공하며, 낮은 (≤1MHz) 및 높은 (≥10MHz) 주파수 (EG, 5G, PCIE)의 경우 비판적으로 작동합니다.
2. 주파수에 대한 접지 : ≤1MHz 회로 (예 : 아날로그 센서), ≥10MHz (예 : RF 모듈)의 다중 점 (예 : 아날로그 + 디지털 부품이 포함 된 IoT 장치)에 대한 단일 포인트 접지를 사용합니다.
3. avoid split Ground 평면 : 갭은 안테나와 같은 작용, EMI 증가-단일 고체 평면을 사용하고 하나의 저 임플런스 지점에서 아날로그/디지털 접지를 분리합니다.
4. 일판 문제 : 지상 비행기를 신호 레이어에 가깝게 배치하고, 스티칭 VIA를 사용하여 비행기를 연결하고, 파워 핀 근처의 디커플링 커패시터를 추가하여 신호 무결성을 높이십시오.
5. 혼합 신호 설계 분리가 필요합니다. 격리가 필요합니다 : 페라이트 비드 또는 옵토 커플러를 사용하여 아날로그와 디지털 접지를 분리하여 민감한 신호를 손상시키는 것을 방지합니다.

핵심 PCB 접지 기술 : 작동 방식
각 접지 기술은 저주파 소음에서 고속 EMI에 이르기까지 특정 문제를 해결하도록 설계되었습니다. 아래는 가장 일반적인 방법, 이상적인 사용 사례 및 한계의 자세한 고장입니다.

1. 단일 지점 접지
단일 포인트 접지는 모든 회로를 단일 공통 접지 지점에 연결하여 두 회로가 중앙 지점을 제외한지면 경로를 공유하지 않는 "별"토폴로지를 만듭니다.

작동 방식
A. LOW 주파수 초점 : 주파수 ≤1 MHz가있는 회로에 가장 적합합니다 (예 : 아날로그 센서, 저속 마이크로 컨트롤러).
B. 노이즈 격리 : 공통 모드 임피던스 커플 링을 방지-아날로그와 디지털 회로는 하나의 접지 연결 만 공유하여 크로스 토크를 줄입니다.
C. 구현 : 두꺼운 구리 트레이스 (≥2mm)를 "별"중심으로 사용하고 모든 접지 연결 이이 지점까지 직접 라우팅됩니다.

장단점

최선의 :
저주파 아날로그 회로 (예 : 온도 센서, 오디오 프리 앰프) 및 간단한 단일 칩 설계 (예 : Arduino 프로젝트).

2. 멀티 포인트 접지
멀티 포인트 접지를 사용하면 각 회로 또는 구성 요소가 가장 가까운 접지 평면에 연결하여 여러 개의 짧은 직접 반환 경로를 생성 할 수 있습니다.

작동 방식
A. 고주파 초점 : 주파수 ≥10MHz (예 : RF 모듈, 5G 트랜시버)에 최적화.
B. low-Impedance 경로 : 각 신호의 반환 전류는 가장 가까운지면으로 흐르고 루프 영역 및 인덕턴스를 최소화합니다 (고속 신호에 중요).
C. 구현 : 신호 경로를 짧게 유지하기 위해 신호 추적 바로 옆에 배치 된 VIA를 통해 단단한 접지 평면 (또는 다중 연결된 평면)을 사용하고지면 연결을 라우팅하십시오.

장단점

최선의 :
고속 디지털 회로 (예 : DDR5 메모리, 10G 이더넷), RF 장치 및 주파수가 10MHz 이상인 PCB.

3. 지상 비행기 (골드 표준)
접지 평면은 보편적 근거 역할을하는 구리 (보통 전체 PCB 층)의 연속 층입니다. 거의 모든 PCB 설계에 가장 효과적인 접지 기술입니다.

작동 방식
A.Dual-Purpose Design : 낮은 임피던스 접지 (리턴 전류)와 EMI 차폐 (길 잃은 전자기장을 흡수)를 제공합니다.
B. 키 혜택 :
루프 면적을 0으로 줄입니다 (반환 전류는 신호 추적 바로 아래에서 흐릅니다).
지상 임피던스를 90% 대지 지상 트레이스 (구리 평면은 더 많은 단면적을 가지고 있음)를 낮 춥니 다.
외부 간섭으로부터 민감한 신호를 방패합니다 (패러데이 케이지 역할을합니다).
C. 구현 : 4 층 PCB의 경우, 방패를 최대화하기 위해 신호 층 (예 : 레이어 2 = 접지, 레이어 3 = 전력)에 인접한지면 평면을 배치하십시오. 스티칭 비아 (5-10mm 간격)를 사용하여 지상 비행기를 레이어를 가로 질러 연결하십시오.

장단점

최선의 :
소비자 전자 장치 (스마트 폰, 랩톱)에서 산업 시스템 (PLC) 및 의료 기기 (MRI 기계)에 이르기까지 거의 모든 PCB.

4. 스타 접지
별 접지는 모든 접지 경로가 단일 저 임플런스 지점 (종종 접지 패드 또는 구리 부어)에서 수렴하는 단일 포인트 접지의 변형입니다. 민감한 회로를 분리하도록 설계되었습니다.

작동 방식
Auisolation Focus : 각 그룹은 전용 흔적을 통해 스타 센터에 연결하여 아날로그, 디지털 및 전력 접지를 분리합니다.
B. Mixed-Signal의 비판적 : 디지털 노이즈가 아날로그 회로로 누출되는 것을 방지합니다 (예 : 센서 신호를 손상시키는 마이크로 컨트롤러의 스위칭 노이즈).
C. 구현 : 대형 구리 패드를 스타 센터로 사용하십시오. 폭이 넓은 폭 (≥1mm)으로 아날로그 그라운드 트레이스를 임피던스로 낮추십시오.

장단점

최선의 :
주파수 ≤1 MHz를 갖는 작은 혼합 서명 회로 (예 : 휴대용 의료 모니터, 센서 모듈).

5. 하이브리드 접지
하이브리드 접지는 최고의 단일 포인트, 멀티 포인트 및 접지 평면 기술을 결합하여 복잡한 설계 문제 (예 : 고주파 혼합 신호 시스템)를 해결합니다.

작동 방식
a.dual-frequency 전략 :
저주파 (≤1 MHz) : 아날로그 회로에는 단일 포인트/스타 접지를 사용하십시오.
고주파수 (≥10MHz) : 디지털/RF 부품을 위해 지상 평면을 통한 다중 점 접지를 사용하십시오.
B. 분리 도구 : 페라이트 비드 (고주파 소음 차단) 또는 옵토 커플러 (전기적으로 분리 된 아날로그/디지털)를 사용하여 지상 도메인을 분리하십시오.
C.aerospace 예제 : 위성 PCB는 하이브리드 접지를 사용합니다. 아날로그 센서 (단일 포인트)는 도메인 간의 페라이트 비드를 차단하여 디지털 프로세서 (지상 평면을 통한 다중 포인트)에 연결합니다.

장단점

최선의 :
항공 우주 전자 장치, 5G 기지국 및 의료 기기 (예 : 아날로그 변환기 + 디지털 프로세서가있는 초음파 기계)와 같은 고급 설계.

접지 기술을 비교하는 방법 : 효과, 소음 및 신호 무결성
모든 접지 방법이 동일하게 수행되는 것은 아닙니다. 선택은 EMI, 신호 품질 및 회로 신뢰성에 영향을 미칩니다. 아래는 결정에 도움이되는 데이터 중심 비교입니다.

1. EMI Control : 어떤 기술이 노이즈를 가장 잘 줄입니까?
EMI는 고속 PCB에 대한 가장 큰 위협입니다. 지상은 회로가 방출하거나 흡수하는 소음의 양에 직접적인 영향을 미칩니다.

중요한 참고 :지면 평면 갭 (예 : 라우팅 삭감)은 안테나 역할을하여 EMI를 10-15dB 증가시킵니다. 항상 지상 비행기를 견고하게 유지하십시오.

2. 신호 무결성 : 신호를 깨끗하게 유지합니다
신호 무결성 (SI)은 왜곡없이 이동하는 신호의 능력을 나타냅니다. 접지는 임피던스 및 리턴 경로 길이를 제어하여 SI에 영향을 미칩니다.

문제가되는 이유 : 접지 평면의 저임금 (0.1Ω)은 전압 방울이 <10MV를 보장하는 반면, 단일 포인트 접지의 20Ω 임피던스는 200MV 방울을 유발합니다. 디지털 신호가 손상되어 3.3V 로직 신호가 <50MV 노이즈가 필요합니다).

3. 응용 프로그램 적합성 : 일치 기술과 회로 유형
회로의 목적과 주파수는 최상의 접지 방법을 지시합니다. 이 안내서를 사용하여 디자인을 올바른 기술에 맞 춥니 다.

피해야 할 일반적인 근거 실수
제대로 구현하면 최상의 접지 기술조차 실패합니다. 다음은 가장 빈번한 오류와 수정 방법입니다.
1. 지상 비행기 분할
A.Mistake : 아날로그/디지털 부지를 분리하기 위해 접지 비행기를 자릅니다 (예 : "디지털 그라운드 아일랜드"및 "아날로그 그라운드 아일랜드").
B. 결과 : 갭은 고 임피던스 반환 경로를 만듭니다. 서명은 격차를 가로 지르고 EMI를 15 dB 증가하고지면 바운스를 유발합니다.
C.fix : 단일 고체 접지 평면을 사용하십시오. 한 지점 (예 : 1mm 구리 브리지)을 연결하여 아날로그/디지털을 분리하고 페라이트 비드를 사용하여 고주파 소음을 차단하십시오.

2. 긴 접지 루프
A.Mistake : 루프의 라우팅지면 트레이스 (예 : 접지 평면에 도달하기 전에 PCB를 원하는 디지털지면 트레이스).
B. 결과 : 루프는 안테나 역할을하고, EMI를 선택하고, 인덕턴스 증가 (10cm 루프는 ~ 1 µh 인덕턴스가있어 100MHz에서 1V 노이즈를 유발합니다).
C.fix :지면 경로를 짧고 직접 유지합니다. VIAS를 사용하여 구성 요소 바로 다음 접지 평면에 연결하십시오.

3. 배치를 통해 가난합니다
A.Mistake : 신호 트레이스에서 멀리 떨어진지면 비아를 배치합니다 (예 : 신호 추적과지면 사이의 10mm 간격).
B. 결과 : 반환 전류는 긴 경로를 취하고 루프 면적이 증가하고 신호 반사를합니다.
C.fix : 고속 신호 (> 1GHz)의 경우 신호 추적의 2mm 내에 접지 비아를 배치하고 트레이스 당 2 개의 vias를 사용하여 인덕턴스를 낮추십시오.

4. 레이어 스택 업을 무시합니다
A.Mistake : 전용 접지 평면이없는 2 층 PCB 사용 (대신지면 트레이스에 의존).
B. 결과 : 지상 임피던스가 10 배 높아 EMI 및 신호 손실로 이어집니다.
C.fix : 주파수 ≥1 MHz의 경우 전용 접지/파워 평면 (레이어 2 = 접지, 레이어 3 = 전력)이있는 4 층 PCB를 사용하십시오.

5. 전압 접지 혼합
A.Mistake : 고전압 (예 : 12V) 및 저전압 (예 : 3.3V)을 분리하지 않고 연결합니다.
B. 결과 : 고전압 노이즈가 저전압 신호를 손상시킵니다 (예 : 12V 모터의 스위칭 노이즈는 3.3V MCU가 충돌합니다).
C.fix : OptoCouplers를 사용하여 전압 도메인 사이의 노이즈를 차단하기 위해 접지 또는 공통 모드 초크를 분리합니다.

올바른 접지 기술을 선택하는 방법 : 단계별 가이드
다음 단계에 따라 PCB의 완벽한 접지 방법을 선택하십시오.
1. 회로의 주파수를 정의하십시오
A.≤1 MHz : 단일 포인트 또는 별 접지 (예 : 아날로그 센서).
B.1 MHZ – 10 MHZ : 하이브리드 접지 (혼합 신호 설계).
C.체 10MHz : 접지 평면 + 멀티 포인트 접지 (고속 디지털/RF).

2. 회로 유형을 식별하십시오
A.Analog 전용 : 별 또는 단일 포인트.
B. 디지털 전용 : 접지 비행기 + 멀티 포인트.
C.mixed-signal : 하이브리드 (페라이트 비드와 분리 아날로그/디지털).
D. 파워 중심 : 접지 평면 (높은 전류에 대한 낮은 임피던스).

3. 레이아웃 제약 조건을 평가하십시오
A.Small PCBS (<50mm) : 별 또는 단일 포인트 (지상 비행기 필요 없음).
B. large/고밀도 PCB : 접지 평면 + 다중 점 (확장 성).
C. 층 제한 : 2 층 만 있으면 전체 평면을 대신하여지면 그리드 (그리드 패턴의 두꺼운 구리 추적)를 사용하십시오.

4. 시뮬레이션으로 검증하십시오
A. ANSYS SIWAVE 또는 CADENCE SIGRITY와 같은 도구를 사용하십시오.
다른 접지 기술에 대한 EMI 배출을 테스트하십시오.
신호 무결성을 확인하십시오 (고속 신호의 눈 다이어그램).
주파수에 대한 지상 임피던스를 확인하십시오.

5. 프로토 타입 및 테스트
A. 프로토 타입 및 측정 : 다음 :
스펙트럼 분석기가 장착 된 EMI (30MHz – 1GHz에서 <50dBµV/m을 목표로).
오실로스코프와의 신호 무결성 (신호 진폭의 오버 슈트/슈트 <10%를 확인).
멀티 미터로 접지 바운스 (디지털 회로의 경우 <50MV를 유지).

FAQ
1.지면이지면보다지면 비행기가 더 나은 이유는 무엇입니까?
접지 비행기는 구리 면적이 훨씬 많아서 임피던스를 90%로 낮추고 트레이스를 낮 춥니 다. 또한 EMI 차폐를 제공하고 신호 트레이스 바로 아래에서 리턴 전류가 흐르도록하여 루프 영역 및 노이즈를 최소화합니다.

2. 혼합 신호 PCB에 접지 비행기를 사용할 수 있습니까?
예 - 단일 고체 접지 평면을 사용하고 한 지점에서 아날로그/디지털 접지를 분리하십시오 (예 : 구리 교량). 고주파 디지털 노이즈를 차단하기 위해 아날로그 그라운드 트레이스에 페라이트 비드를 추가하십시오.

3. 2 층 PCB (접지 평면 없음)에서 EMI를 어떻게 줄이나요?
접지 그리드 사용 : VIAS가 상단/하단 그리드를 연결하면서 PCB에 두꺼운 구리 트레이스 (≥2mm)의 그리드를 만듭니다. 이는 임피던스를 단일 지상 트레이스 대 50% 감소시킵니다.

4. 단일 포인트 접지의 최대 주파수는 얼마입니까?
단일 포인트 접지는 ≤1MHz에 가장 적합합니다. 이 주파수 이상으로, 긴지면 흔적은 높은 인덕턴스를 생성하여 접지 바운스와 EMI를 유발합니다.

5. 접지 비행기에는 몇 개의 스티치 비아가 필요합니까?
우주 스티칭 vias 5-10mm, 특히 PCB 가장자리 주변. 고주파 설계 (> 1GHz)의 경우 3mm마다 VIA를 사용하여 Faraday 케이지 효과를 만듭니다.

결론
PCB 접지는 "일대일에 맞는"솔루션이 아니지만 중요한 솔루션입니다. 올바른 기술은 시끄럽고 신뢰할 수없는 회로를 고성능 시스템으로 변환 할 수 있지만 잘못된 선택은 비용이 많이 드는 재 설계 또는 EMC 테스트에 실패 할 수 있습니다.

대부분의 최신 PCB (특히 고속 또는 혼합 신호)의 경우, 고체 접지 평면은 기초이며, 고주파수 또는 복잡한 설계를위한 하이브리드 방법을위한 다중 지점 접지가 있습니다. 분할 비행기 나 긴 접지 루프와 같은 일반적인 실수를 피하고 항상 시뮬레이션 및 프로토 타이핑으로 디자인을 검증하십시오.

PCB가 더 빠르게 증가함에 따라 (예 : 112G PCIE) 더 작고 컴팩트 한 (예 : 웨어러블)지면이 더 중요해집니다. 접지 기술을 회로의 주파수, 유형 및 레이아웃에 맞추면 안정적이고 낮은 잡음이며 현대 전자 제품의 요구를 충족시킬 준비가 된 PCB를 구축합니다.

기억하십시오 : 접지는 투자입니다. 올바른 전략의 시간을 일찍 지출하면 EMI 또는 신호 문제를 디버깅하지 않아도됩니다. 간단한 센서 또는 복잡한 5G 모듈을 설계하든, 접지 우선 순위를 결정하면 회로가 의도 한대로 수행 할 수 있습니다.