PCB 中的返回電流路徑是什么？

2021-06-25

PCB 中的返回電流路徑是什么？

任何電路圖的基本方面之一是返回電流路徑。在電路圖和原理圖中，電流返回電源低電位側的路徑應該很明顯，但在PCB中可能不那么明顯。換句話(huà)說(shuō)，您需要考慮 PCB 布局的幾何形狀，以便深入了解電流如何在整個(gè)系統中移動(dòng)。

走線(xiàn)和內部平面的幾何形狀只是決定 PCB 布局中返回電流路徑的一方面。在某些方面，信號本身會(huì )選擇自己的返回路徑。一旦設計人員了解信號的幾何形狀和特性如何影響返回路徑，就可以更輕松地確定信號的返回路徑，而無(wú)需求助于 2D 或 3D 場(chǎng)解算器。

什么決定了 PCB 中的返回電流路徑？

我們喜歡說(shuō)電流遵循電阻最小的路徑，但這實(shí)際上僅適用于直流電路。對于隨時(shí)間變化的信號，返回電流遵循最小電抗的路徑，這也是最小阻抗的路徑。這意味著(zhù) PCB 中的返回路徑完全由承載返回電流的電路的阻抗決定。

如果這聽(tīng)起來(lái)很深奧，請考慮一下現代 PCB的結構。電流從電源沿著(zhù)電源軌或電源平面流向下游，進(jìn)入您的組件，最后進(jìn)入接地平面，在那里它返回到電源的低電位端。整個(gè)路徑都有一些相關(guān)的阻抗。

暫時(shí)回到電子設備 101，電路中電流所見(jiàn)的阻抗可以分為電阻部分（與頻率無(wú)關(guān)）和電抗部分（取決于頻率）。實(shí)際上，實(shí)際 PCB 上的任何電路都可以表現為純電阻、純電容或純電感電路，具體取決于幾何形狀、不同組件的行為以及通過(guò)電路的信號頻率。電路板上的真實(shí)線(xiàn)性電路至少應建模為RLC 電路，即使該電路不包含任何分立電容器或電感器。

為什么 PCB 布局中的電路應該像 RLC 電路一樣工作？這是因為相鄰的導體被絕緣基板隔開(kāi)，這會(huì )產(chǎn)生一些寄生電容。電感行為的產(chǎn)生是因為電流所遵循的路徑形成了一個(gè)閉合回路，并且基板具有一定的磁導率，因此每個(gè)電路看起來(lái)像一個(gè)，并且具有一些寄生電感。這些寄生效應和導體的自然直流電阻會(huì )影響信號在整個(gè)電路板上傳輸時(shí)看到的阻抗。當與走線(xiàn)和平面的幾何形狀一起考慮時(shí)，它們共同決定了信號返回電源時(shí)所遵循的路徑。

信號頻率如何影響 PCB 中的返回電流路徑

為了了解 PCB 中的返回電流路徑是如何形成的，我們將首先在一個(gè)簡(jiǎn)單的例子中看看直流電流會(huì )發(fā)生什么。下面示例布局中的頂視圖顯示了通向 IC 的 PCB 表面層上的走線(xiàn)。下圖的下半部分顯示了第二層的內部地平面。兩個(gè)導體被絕緣基板隔開(kāi)，絕緣基板在兩層之間提供電容。請注意，下面顯示的電容器符號并不表示分立電容器的存在；將這些視為集總電路模型的一部分。（注意：這實(shí)際上是 PCB 中的每條跡線(xiàn)實(shí)際上都是傳輸線(xiàn)的原因；在即將發(fā)布的文章中將詳細介紹）。

源自頂層（+5 V 點(diǎn)）的直流電流直接沿走線(xiàn)傳輸，走線(xiàn)具有最小電阻的路徑。電流離開(kāi)IC后，通過(guò)過(guò)孔進(jìn)入內層，沿地平面行進(jìn)；然后通過(guò)另一個(gè)過(guò)孔返回到表層的供電點(diǎn)。直流電流在表面層和接地層之間看到無(wú)限電抗（因此是無(wú)限阻抗），這意味著(zhù)電流不會(huì )通過(guò)集總電容直接傳輸到基板。一旦電流進(jìn)入接地層，它就會(huì )沿著(zhù)電阻最小的路徑返回到 GND 過(guò)孔。請注意，電阻最小的路徑恰好是兩個(gè)過(guò)孔之間的最短距離（黃色直線(xiàn)）。

用于 DC 電流的 PCB 中的返回電流路徑

對于任何時(shí)變信號（脈沖、數字或模擬信號），情況都不同。由于電壓和電流隨時(shí)間變化，信號可以通過(guò)基板中的集總電容感應出位移電流，然后通過(guò)接地層傳播。這意味著(zhù)返回電流是在走線(xiàn)下方的接地層中產(chǎn)生的。電阻不隨頻率變化，但基板電容提供的電抗確實(shí)取決于頻率。電流往往集中在信號跡線(xiàn)下方，這對應于最小電抗的路徑。

用于快速時(shí)變電流的 PCB 中的返回電流路徑

請注意，為清楚起見(jiàn)，頂視圖中顯示的黃線(xiàn)與電路跡線(xiàn)略有偏移，但希望您能看到這兩種情況之間的明顯區別。當 PCB 中有多個(gè)走線(xiàn)、元件和平面層時(shí)，情況顯然變得更加復雜。實(shí)際上，在高頻（~MHz 及以上）下，返回電流將在跡線(xiàn)下方具有一些近似高斯分布。在中等頻率（10 kHz 的頻率）下，仍然會(huì )有一些電流沿著(zhù)直流回路返回。以了解在中等頻率下會(huì )發(fā)生什么。

混合信號返回電流路徑如何？

對于混合信號板，控制返回電流路徑更為關(guān)鍵，因為您應該嘗試防止數字信號在電路板的模擬部分產(chǎn)生電流。將您的布局分成模擬和數字部分對減少混合信號串擾大有幫助。但是，您仍應努力確定 PCB 布局中的返回電流路徑，以防止不同類(lèi)型的信號無(wú)意中干擾敏感元件。