什么是電流返回路徑？

電流的返回路徑不過是返回源頭所遵循的路徑。你還記得什么是電路嗎？它是電子從電壓或電流源流過的路徑。電子的“源”是它們進(jìn)入電路的點(diǎn)。電子離開電路的點(diǎn)稱為“返回”或“接地”。由于電子在完成其電路路徑時(shí)總是在源頭處結(jié)束，因此我們稱該退出點(diǎn)為“返回”。

為什么電流返回？

由于電荷和能量守恒原理，電流返回。假設(shè)電流沒有返回到源。然后呢？費(fèi)用仍將在某處累積。一個(gè)地方的（+）電荷將超過，另一個(gè)地方的（-）電荷將超過。這種擾動會引起電位差，而電位差又會使電流倒流。你還記得基爾霍夫定律（第一定律）嗎？

基爾霍夫電流定律指出，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)（或結(jié)點(diǎn)）的電流必須等于流出節(jié)點(diǎn)的電流。換句話說，進(jìn)入和離開節(jié)點(diǎn)的所有電流的代數(shù)和必須為零，例如：

I（退出）+ I（進(jìn)入）= 0

流入和流出節(jié)點(diǎn)的所有電流的代數(shù)和必須為零。

因此，進(jìn)出電路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)和組件的凈電荷流量應(yīng)該為零。這意味著無論電路是什么，電流都必須返回其源頭。為了更好地理解，請閱讀我們的帖子用于更好的 PCB 設(shè)計(jì)和開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)理論.

如果電流在回路中流動并返回源頭，您會期望電流流到線路的末端并沿著返回路徑流回。但這整個(gè)過程需要多長時(shí)間？什么時(shí)候可以看到電流從返回路徑出來？需要兩秒鐘嗎？或者，一秒下降，一秒回來？假設(shè)在信號和返回導(dǎo)體之間有一種絕緣介電材料。除了遠(yuǎn)端，電流怎么可能從信號流到返回導(dǎo)體？

讓我們從基本模型開始，即電流流過的線路，假設(shè)是一堆微型電容器。初始電流流入線路。當(dāng)信號發(fā)射時(shí)，它會看到電容器。如果電容器兩端的電壓恒定，則電流不會流動。當(dāng)信號進(jìn)入傳輸線，信號和返回路徑上會產(chǎn)生電壓。

在此過渡時(shí)間內(nèi)，隨著邊沿經(jīng)過，電壓發(fā)生變化，電流流過初始電容器。當(dāng)信號發(fā)射時(shí)，它不知道你是如何計(jì)劃它的整個(gè)行程的，也沒有關(guān)系。電流的來回運(yùn)動取決于直接環(huán)境和電壓變化的線路區(qū)域，即信號邊緣所在的區(qū)域。

傳輸線就像一堆電容器。

源電流流入導(dǎo)體并通過信號和返回路徑之間的電容器，形成回路。當(dāng)電壓過渡沿通過線路傳播時(shí)，電流環(huán)路也通過傳輸線傳播。如果信號電壓發(fā)生變化，我們可以擴(kuò)展傳輸線模型以包括其余的信號和返回路徑以及它們之間的所有分布式電容器。

任何擾亂電流回路的東西都會擾亂信號并使信號失真受控阻抗，妥協(xié)信號完整性.

特意走當(dāng)前返回路徑！

許多人想象電路中的變化會立即發(fā)生，當(dāng)您打開電路時(shí)，只需單擊一下，燈光就會發(fā)光。因?yàn)闋顟B(tài)的變化超出了人類的感知，所以比較容易產(chǎn)生誤解。

電路狀態(tài)隨電位升高而變化。

但實(shí)際上，當(dāng)“交流電”通過電路時(shí)，它會在其附近建立一個(gè)電場。然后這些場線將通過周圍的導(dǎo)體傳播，也可能轉(zhuǎn)移到附近的電路。與此同時(shí)，您的電路面臨狀態(tài)變化，從而產(chǎn)生電勢，因此電流通過電路。該電場產(chǎn)生電磁場電流通過的導(dǎo)體周圍。

電磁場的變化傳播得非常快，但速度有限，而且場的變化需要一些時(shí)間才能到達(dá)電路的遠(yuǎn)端。因此，跡線的兩端有可能處于兩種不同的狀態(tài)，并且有一個(gè)沿長度移動的過渡點(diǎn)。這將在附近的導(dǎo)體中產(chǎn)生不需要的電流。

電流、電場和磁場。

布線不當(dāng)會導(dǎo)致電路中出現(xiàn)噪聲，并可能產(chǎn)生問題，例如電磁兼容，易感性，并產(chǎn)生電磁干擾。因此，降低了整體電路性能。

為什么電流返回路徑在 PCB 設(shè)計(jì)中很重要？

去年的電子設(shè)計(jì)還算體貼。有點(diǎn)糟糕的原理圖和不太有效的布局仍然會產(chǎn)生一些有意義和功能性的電路板。但是現(xiàn)在，在使 PCB 和芯片更小的競賽中，工作電壓及其噪聲容限正在降低。減少是為了讓工程師現(xiàn)在需要在他們的設(shè)計(jì)選擇中格外小心。

高速PCB已成為一種趨勢。

不僅更小，而且 PCB 現(xiàn)在變得更快?，F(xiàn)在，PCB 旨在以足夠高的頻率運(yùn)行，以顯著降低電路的性能。這些被稱為高速PCB。其他因素包括材料、走線長度、電路板尺寸和環(huán)境。

雖然，傳統(tǒng)上，50MHz 及以上是 PCB 布局可以被視為高速PCB設(shè)計(jì). 高速 PCB 的有趣之處在于它們不遵循最小電阻路徑；它們遵循阻抗最小的路徑。如果沒有適當(dāng)?shù)姆祷芈窂讲季郑赡軙l(fā)現(xiàn)電流在接地平面的裂口周圍擴(kuò)散，從而導(dǎo)致信號完整性的損失。

高速 PCB 和電流返回路徑

無論您有多少經(jīng)驗(yàn)，您都可能忘記阻抗可能看起來像電阻。但事實(shí)并非如此。它是考慮時(shí)間和頻率依賴性的通用表達(dá)式。它是一個(gè)復(fù)數(shù)，具有虛部（電抗）和實(shí)部（電阻）。

因此，您可能傾向于忽略電路返回路徑中阻抗的電抗部分，而只關(guān)注電阻。隨著頻率的增加和上升/下降時(shí)間的減少，阻抗的電抗部分在返回路徑中變得更加重要。

在某些情況下，可以在導(dǎo)體下方找到電流的返回路徑。因此，您應(yīng)該在電路中建立不太理想的路徑之前提供理想的路徑。

現(xiàn)在讓我們繼續(xù)高速印刷電路板當(dāng)前返回路由已完成。

假設(shè)您有一個(gè)雙面板，頂部有一條走線，底部有一個(gè)全銅接地層。該板有兩個(gè)過孔，將走線與接地層連接起來。到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，它通過通過并通過過孔再次到達(dá)其源頭。

一個(gè)雙層板，頂部有一條走線，一個(gè)實(shí)心地平面和兩個(gè)過孔。

但這里的問題是如何？電流可以通過三個(gè)給定的路徑返回：最簡單的已知路徑是追溯其流動，即直接路徑?；蛘?，它可以在頂部軌跡下方的最小面積環(huán)路中傳播。否則，它可以結(jié)合這兩種方式返回其源頭。正如您現(xiàn)在已經(jīng)知道的那樣，電流通過最小阻抗路徑返回源。

我們知道電阻的阻抗（Z）等于電阻的值（R），例如：

Z = R

同樣，電感中阻抗的大小為：

|Z| =ω.L

在頻域中，我們可以將電感的阻抗表示為：

Z = j.ω.L

因此，使用集總參數(shù)電路理論，我們可以找到接地阻抗Zg。

Zg = Rg + jωLg

這里的Rg和Lg分別是接地路徑電阻和電感。

對于低頻，接地電流占用電阻最小的路徑。 它追溯至源的路徑，即阻抗最低的路徑。

對于高頻，接地電流將遵循最小電感的路徑。 這直接位于跡線下方，因?yàn)樗碜钚〉沫h(huán)路區(qū)域。閱讀我們在PCB中高速信號的影響.

通過最小電感路徑的高頻電流返回路徑。

在低頻 (1 – 100kHz) 下，返回電流主要流經(jīng)電阻最小的直接路徑。隨著頻率增加到 500 – 1000kHz，電流在電阻最小和電感最小的兩條路徑之間分流。在高頻 (10 – 100MHz) 下，大部分返回電流通過電感最小的路徑在頂部走線下方流動。

對于高頻信號走線，a差分對用來。原因很簡單：差分對既攜帶信號又?jǐn)y帶相反相位的信號。因此，輻射被抵消，流動的電流為零。因此，它們可以對抗共模噪聲或感應(yīng)噪聲。仔細(xì)和深思熟慮地規(guī)劃接地回路可以防止在電路中不應(yīng)該出現(xiàn)的部分形成不需要的電流。

PCB 中用于對抗感應(yīng)噪聲的差分對。

電流返回路徑不連續(xù)

到目前為止，我們討論的都是實(shí)心地平面的情況。但也可能存在接地平面不連續(xù)的情況。在設(shè)計(jì)返回路徑時(shí)，您還應(yīng)該記住切口、槽或間隙孔的情況。假設(shè)地平面上有一個(gè)槽；你認(rèn)為會出什么問題？

這是一種傳統(tǒng)，即堅(jiān)固且不間斷的返回路徑將具有更好的電磁能力。電流將沿著閉路回路流動，從而使合成電流為零。環(huán)路足夠小/窄；微帶通孔的返回路徑正好在信號走線平面的下方。

但是返回路徑中的不連續(xù)會引起噪聲。用于通孔或過孔的切口、槽甚至間隙孔，所有這些都會導(dǎo)致返回路徑的不連續(xù)性。它創(chuàng)建了更大的電流回路區(qū)域。這會增加環(huán)路電感。因此，電流會擴(kuò)散并可能到達(dá)邊緣，形成天線。間隙孔對電流的威脅較小。除非孔重疊，否則問題不大。讀如何限制 PCB 傳輸線中的阻抗不連續(xù)性和信號反射。

由于平面上的槽，電流在返回過程中的擴(kuò)散。

帶有切口的地平面的電流返回路徑。

帶有通孔和通孔間隙孔的接地平面的電流返回路徑。

影響信號電流或返回電流路徑的一切都會影響信號的阻抗。因此，應(yīng)該像設(shè)計(jì)信號路徑一樣仔細(xì)地設(shè)計(jì)返回路徑。它是在 PCB、連接器還是 IC 封裝上都沒有關(guān)系。

混合信號板中的電流返回路徑

混合信號板中的電流返回路徑。

在混合信號板中，必須規(guī)劃元件放置使模擬信號和數(shù)字信號不會相互交叉。有關(guān)模擬信號的返回路徑，請參閱上圖（左）。在這種情況下，我們看到電路板區(qū)域分為數(shù)字部分和模擬部分，并且這兩個(gè)部分在中心的底部接地平面拼接中互連。兩個(gè)平面仍會經(jīng)歷電容耦合，從而允許模擬和數(shù)字信號混合。最好的方法是擁有一個(gè)平面，如圖（右）所示，并將數(shù)字和模擬組件分開放置。目的是防止數(shù)字信號在模擬區(qū)域下方傳播并造成干擾。

走線幾何形狀和內(nèi)部平面關(guān)鍵地決定了 PCB 布局中的電流返回路徑。正確規(guī)劃和精心設(shè)計(jì)的電流返回路徑對于避免電路中出現(xiàn)不需要的電流至關(guān)重要。建議為通過電路的所有高速信號提供接地回路過孔和路徑。一旦設(shè)計(jì)人員了解了信號的幾何形狀和特性，規(guī)劃信號的返回路徑就會變得更加容易。