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PCB 中的返回电流路径是什么？
PCB 中的返回电流路径是什么？
任何电路图的基本方面之一是返回电流路径。在电路图和原理图中，电流返回电源低电位侧的路径应该很明显，但在PCB中可能不那么明显。换句话说，您需要考虑 PCB 布局的几何形状，以便深入了解电流如何在整个系统中移动。
走线和内部平面的几何形状只是决定 PCB 布局中返回电流路径的一方面。在某些方面，信号本身会选择自己的返回路径。一旦设计人员了解信号的几何形状和特性如何影响返回路径，就可以更轻松地确定信号的返回路径，而无需求助于 2D 或 3D 场解算器。
什么决定了 PCB 中的返回电流路径？
我们喜欢说电流遵循电阻最小的路径，但这实际上仅适用于直流电路。对于随时间变化的信号，返回电流遵循最小电抗的路径，这也是最小阻抗的路径。这意味着 PCB 中的返回路径完全由承载返回电流的电路的阻抗决定。
如果这听起来很深奥，请考虑一下现代 PCB的结构。电流从电源沿着电源轨或电源平面流向下游，进入您的组件，最后进入接地平面，在那里它返回到电源的低电位端。整个路径都有一些相关的阻抗。
暂时回到电子设备 101，电路中电流所见的阻抗可以分为电阻部分（与频率无关）和电抗部分（取决于频率）。实际上，实际 PCB 上的任何电路都可以表现为纯电阻、纯电容或纯电感电路，具体取决于几何形状、不同组件的行为以及通过电路的信号频率。电路板上的真实线性电路至少应建模为RLC 电路，即使该电路不包含任何分立电容器或电感器。
为什么 PCB 布局中的电路应该像 RLC 电路一样工作？这是因为相邻的导体被绝缘基板隔开，这会产生一些寄生电容。电感行为的产生是因为电流所遵循的路径形成了一个闭合回路，并且基板具有一定的磁导率，因此每个电路看起来像一个，并且具有一些寄生电感。这些寄生效应和导体的自然直流电阻会影响信号在整个电路板上传输时看到的阻抗。当与走线和平面的几何形状一起考虑时，它们共同决定了信号返回电源时所遵循的路径。
信号频率如何影响 PCB 中的返回电流路径
为了了解 PCB 中的返回电流路径是如何形成的，我们将首先在一个简单的例子中看看直流电流会发生什么。下面示例布局中的顶视图显示了通向 IC 的 PCB 表面层上的走线。下图的下半部分显示了第二层的内部地平面。两个导体被绝缘基板隔开，绝缘基板在两层之间提供电容。请注意，下面显示的电容器符号并不表示分立电容器的存在；将这些视为集总电路模型的一部分。（注意：这实际上是 PCB 中的每条迹线实际上都是传输线的原因；在即将发布的文章中将详细介绍）。
源自顶层（+5 V 点）的直流电流直接沿走线传输，走线具有最小电阻的路径。电流离开IC后，通过过孔进入内层，沿地平面行进；然后通过另一个过孔返回到表层的供电点。直流电流在表面层和接地层之间看到无限电抗（因此是无限阻抗），这意味着电流不会通过集总电容直接传输到基板。一旦电流进入接地层，它就会沿着电阻最小的路径返回到 GND 过孔。请注意，电阻最小的路径恰好是两个过孔之间的最短距离（黄色直线）。
用于 DC 电流的 PCB 中的返回电流路径
对于任何时变信号（脉冲、数字或模拟信号），情况都不同。由于电压和电流随时间变化，信号可以通过基板中的集总电容感应出位移电流，然后通过接地层传播。这意味着返回电流是在走线下方的接地层中产生的。电阻不随频率变化，但基板电容提供的电抗确实取决于频率。电流往往集中在信号迹线下方，这对应于最小电抗的路径。
用于快速时变电流的 PCB 中的返回电流路径
请注意，为清楚起见，顶视图中显示的黄线与电路迹线略有偏移，但希望您能看到这两种情况之间的明显区别。当 PCB 中有多个走线、元件和平面层时，情况显然变得更加复杂。实际上，在高频（~MHz 及以上）下，返回电流将在迹线下方具有一些近似高斯分布。在中等频率（10 kHz 的频率）下，仍然会有一些电流沿着直流回路返回。以了解在中等频率下会发生什么。
混合信号返回电流路径如何？
对于混合信号板，控制返回电流路径更为关键，因为您应该尝试防止数字信号在电路板的模拟部分产生电流。将您的布局分成模拟和数字部分对减少混合信号串扰大有帮助。但是，您仍应努力确定 PCB 布局中的返回电流路径，以防止不同类型的信号无意中干扰敏感元件。