PCB上的回流路徑

電流的路徑是個環(huán)路。因此，每個電流信號有來肯定有回。

要獲得最佳的PCB設(shè)計，需要了解信號的回流的實際路徑。電路的信號完整性和EMC性能，直接與電流環(huán)路形成的電感相關(guān)，而電感大小則主要與環(huán)路的面積相關(guān)。

在做PCB設(shè)計時，比較容易忽略回流的實際路徑，因為它不像信號路徑(通常是微帶線)那么形象。

微帶線的回流路徑

如上圖所示，考慮一個兩層的PCB板。

該電路在top層包括一個信號電流源，驅(qū)動一根微帶線，微帶線的另外一端，接一負載，并通過通孔2接到bottom層。

信號電流源的返回引腳(比如GND管腳)，也通過通孔1接到bottom層。

理想情況下，希望地平面上的各處壓降為0，即通孔1和通孔2之間的阻抗為零。

那上面所述的簡單電路結(jié)構(gòu)中，如果信號頻率發(fā)生變化，回流路徑會發(fā)生什么變化呢?

用電磁仿真軟件進行仿真，可以得到如下結(jié)果，如下圖所示。

由此可見:

(1) 當頻率變化時，在top層的信號路徑是確定的，是沿著微帶線的;

(2) 當頻率變化時，在bottom層的回流路徑是不確定的。因此，想要確定信號的回流路徑，先要確定信號的頻率。

如仿真結(jié)果所示，當頻率為1KHz時，對應(yīng)的仿真回流路徑大部分是在兩通孔之間的直線上。

幾乎所有電流都遵循最短的電氣距離，即電阻最小的路徑;因此，只有一小部分電流從主返回路徑擴散開來。

由于 DC 和極低頻(通常低于 kHz)電流均勻分布在接地平面上(如a中綠色部分所示)，因此它會擴散到整個接地平面的橫截面上，但是離電阻最小路徑越遠，電流密度越小。

而當頻率升高時(1MHz以上)，回流路徑則主要集中在微帶跡線的下方。

也可以用一個公式來表示上述現(xiàn)象。

不按最短矩離流動的回流，占總電流的比例為

則當頻率很低，或者信號為直流時:

當頻率升高時，

從上面的公式，可以了解到，當?shù)皖l率時(小于KHz)，回流路徑主要是在最短路徑上;在這條最短路徑旁邊，可能還會有一些小電流，而且電流的密度，離主路徑越遠，密度就越小。

當?shù)仄矫娴碾娮栾@著小于電抗時(當頻率在MHz以上)，回流路徑不再均勻分布在地平面上，而是集中在跡線下方。

回流路徑的電阻

對于微帶線，在低頻時回流路徑的電阻如下圖所示。

隨著頻率的增加，由于趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，平面中的電流分布會發(fā)生變化。走線和平面中的電流被拉向它們相應(yīng)的附近表面。如下圖所示。

當趨膚深度小于銅箔厚度時，此時對應(yīng)的回流路徑的電阻相比于低頻時，式子稍有不同。需要將公式中的銅箔厚度改為趨膚深度。

當回流路徑主要集中在微帶線下方時，其回流路徑上的壓降，應(yīng)用阻抗來描述。

在頻率較低時，電阻占主導作用;而當頻率升高時，電抗占主導作用。

審核編輯：湯梓紅

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