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来来来,看看PCB上的回流路径

电流的路径是个环路。因此,每个电流信号有来肯定有回。


要获得最佳的PCB设计,需要了解信号的回流的实际路径。电路的信号完整性和EMC性能,直接与电流环路形成的电感相关,而电感大小则主要与环路的面积相关。


在做PCB设计时,比较容易忽略回流的实际路径,因为它不像信号路径(通常是微带线)那么形象。


微带线的回流路径

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如上图所示,考虑一个两层的PCB板。

该电路在top层包括一个信号电流源,驱动一根微带线,微带线的另外一端,接一负载,并通过通孔2接到bottom层。

信号电流源的返回引脚(比如GND管脚),也通过通孔1接到bottom层。


理想情况下,希望地平面上的各处压降为0,即通孔1和通孔2之间的阻抗为零。


那上面所述的简单电路结构中,如果信号频率发生变化,回流路径会发生什么变化呢?

用电磁仿真软件进行仿真,可以得到如下结果,如下图所示。

由此可见:

(1) 当频率变化时,在top层的信号路径是确定的,是沿着微带线的;

(2) 当频率变化时,在bottom层的回流路径是不确定的。因此,想要确定信号的回流路径,先要确定信号的频率。

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如仿真结果所示,当频率为1KHz时,对应的仿真回流路径大部分是在两通孔之间的直线上。

几乎所有电流都遵循最短的电气距离,即电阻最小的路径;因此,只有一小部分电流从主返回路径扩散开来。

由于 DC 和极低频(通常低于 kHz)电流均匀分布在接地平面上(如a中绿色部分所示),因此它会扩散到整个接地平面的横截面上,但是离电阻最小路径越远,电流密度越小。


而当频率升高时(1MHz以上),回流路径则主要集中在微带迹线的下方。


也可以用一个公式来表示上述现象。

不按最短矩离流动的回流,占总电流的比例为

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则当频率很低,或者信号为直流时:

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当频率升高时,



从上面的公式,可以了解到,当低频率时(小于KHz),回流路径主要是在最短路径上;在这条最短路径旁边,可能还会有一些小电流,而且电流的密度,离主路径越远,密度就越小。

当地平面的电阻显著小于电抗时(当频率在MHz以上),回流路径不再均匀分布在地平面上,而是集中在迹线下方。


回流路径的电阻

对于微带线,在低频时回流路径的电阻如下图所示。

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随着频率的增加,由于趋肤效应和邻近效应,平面中的电流分布会发生变化。走线和平面中的电流被拉向它们相应的附近表面。如下图所示。

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当趋肤深度小于铜箔厚度时,此时对应的回流路径的电阻相比于低频时,式子稍有不同。需要将公式中的铜箔厚度改为趋肤深度。

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当回流路径主要集中在微带线下方时,其回流路径上的压降,应用阻抗来描述。

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在频率较低时,电阻占主导作用;而当频率升高时,电抗占主导作用。


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