PCB設(shè)計(jì)中的信號(hào)回流實(shí)際路徑分析

電流的路徑是個(gè)環(huán)路。因此，每個(gè)電流信號(hào)有來(lái)肯定有回。

要獲得最佳的PCB設(shè)計(jì)，需要了解信號(hào)的回流的實(shí)際路徑。電路的信號(hào)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(jì)時(shí)，比較容易忽略回流的實(shí)際路徑，因?yàn)樗幌裥盘?hào)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(gè)兩層的PCB板。

該電路在top層包括一個(gè)信號(hào)電流源，驅(qū)動(dòng)一根微帶線，微帶線的另外一端，接一負(fù)載，并通過(guò)通孔2接到bottom層。

信號(hào)電流源的返回引腳(比如GND管腳)，也通過(guò)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(jiǎn)單電路結(jié)構(gòu)中，如果信號(hào)頻率發(fā)生變化，回流路徑會(huì)發(fā)生什么變化呢？

用電磁仿真軟件進(jìn)行仿真，可以得到如下結(jié)果，如下圖所示。

由此可見(jiàn):

(1) 當(dāng)頻率變化時(shí)，在top層的信號(hào)路徑是確定的，是沿著微帶線的；

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

如仿真結(jié)果所示，當(dāng)頻率為1KHz時(shí)，對(duì)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(kuò)散開(kāi)來(lái)。

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(huì)擴(kuò)散到整個(gè)接地平面的橫截面上，但是離電阻最小路徑越遠(yuǎn)，電流密度越小。

而當(dāng)頻率升高時(shí)(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(gè)公式來(lái)表示上述現(xiàn)象。

不按最短矩離流動(dòng)的回流，占總電流的比例為

則當(dāng)頻率很低，或者信號(hào)為直流時(shí):

當(dāng)頻率升高時(shí)，

從上面的公式，可以了解到，當(dāng)?shù)皖l率時(shí)(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(huì)有一些小電流，而且電流的密度，離主路徑越遠(yuǎn)，密度就越小。

當(dāng)?shù)仄矫娴碾娮栾@著小于電抗時(shí)(當(dāng)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(duì)于微帶線，在低頻時(shí)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(huì)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(dāng)趨膚深度小于銅箔厚度時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的回流路徑的電阻相比于低頻時(shí)，式子稍有不同。需要將公式中的銅箔厚度改為趨膚深度。

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

在頻率較低時(shí)，電阻占主導(dǎo)作用；而當(dāng)頻率升高時(shí)，電抗占主導(dǎo)作用。

審核編輯：郭婷