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PCB 中的返回電流路徑是什么？
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。換句話說，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系統中移動。
走線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，而無需求助于 2D 或 3D 場解算器。
什么決定了 PCB 中的返回電流路徑？
我們喜歡說電流遵循電阻最小的路徑，但這實際上僅適用于直流電路。對于隨時間變化的信號，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 PCB 中的返回路徑完全由承載返回電流的電路的阻抗決定。
如果這聽起來很深奧，請考慮一下現代 PCB的結構。電流從電源沿著電源軌或電源平面流向下游，進入您的組件，最后進入接地平面，在那里它返回到電源的低電位端。整個路徑都有一些相關的阻抗。
暫時回到電子設備 101，電路中電流所見的阻抗可以分為電阻部分（與頻率無關）和電抗部分（取決于頻率）。實際上，實際 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電路的信號頻率。電路板上的真實線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，這會產生一些寄生電容。電感行為的產生是因為電流所遵循的路徑形成了一個閉合回路，并且基板具有一定的磁導率，因此每個電路看起來像一個，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影響信號在整個電路板上傳輸時看到的阻抗。當與走線和平面的幾何形狀一起考慮時，它們共同決定了信號返回電源時所遵循的路徑。
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，我們將首先在一個簡單的例子中看看直流電流會發生什么。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。下圖的下半部分顯示了第二層的內部地平面。兩個導體被絕緣基板隔開，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：這實際上是 PCB 中的每條跡線實際上都是傳輸線的原因；在即將發布的文章中將詳細介紹）。
源自頂層（+5 V 點）的直流電流直接沿走線傳輸，走線具有最小電阻的路徑。電流離開IC后，通過過孔進入內層，沿地平面行進；然后通過另一個過孔返回到表層的供電點。直流電流在表面層和接地層之間看到無限電抗（因此是無限阻抗），這意味著電流不會通過集總電容直接傳輸到基板。一旦電流進入接地層，它就會沿著電阻最小的路徑返回到 GND 過孔。請注意，電阻最小的路徑恰好是兩個過孔之間的最短距離（黃色直線）。
用于 DC 電流的 PCB 中的返回電流路徑
對于任何時變信號（脈沖、數字或模擬信號），情況都不同。由于電壓和電流隨時間變化，信號可以通過基板中的集總電容感應出位移電流，然后通過接地層傳播。這意味著返回電流是在走線下方的接地層中產生的。電阻不隨頻率變化，但基板電容提供的電抗確實取決于頻率。電流往往集中在信號跡線下方，這對應于最小電抗的路徑。
用于快速時變電流的 PCB 中的返回電流路徑
請注意，為清楚起見，頂視圖中顯示的黃線與電路跡線略有偏移，但希望您能看到這兩種情況之間的明顯區別。當 PCB 中有多個走線、元件和平面層時，情況顯然變得更加復雜。實際上，在高頻（~MHz 及以上）下，返回電流將在跡線下方具有一些近似高斯分布。在中等頻率（10 kHz 的頻率）下，仍然會有一些電流沿著直流回路返回。以了解在中等頻率下會發生什么。
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鍵，因為您應該嘗試防止數字信號在電路板的模擬部分產生電流。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，以防止不同類型的信號無意中干擾敏感元件。