什么是電流返回路徑？

電流的返回路徑不過(guò)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(guò)的路徑。電子的“源”是它們進(jìn)入電路的點(diǎn)。電子離開(kāi)電路的點(diǎn)稱(chēng)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(chēng)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(méi)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(guò)，另一個(gè)地方的（-）電荷將超過(guò)。這種擾動(dòng)會(huì)引起電位差，而電位差又會(huì)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(huà)說(shuō)，進(jìn)入和離開(kāi)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(wú)論電路是什么，電流都必須返回其源頭。為了更好地理解，請(qǐng)閱讀我們的帖子用于更好的 PCB 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)理論.

如果電流在回路中流動(dòng)并返回源頭，您會(huì)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(guò)程需要多長(zhǎng)時(shí)間？什么時(shí)候可以看到電流從返回路徑出來(lái)？需要兩秒鐘嗎？或者，一秒下降，一秒回來(lái)？假設(shè)在信號(hào)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(hào)流到返回導(dǎo)體？

讓我們從基本模型開(kāi)始，即電流流過(guò)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(hào)發(fā)射時(shí)，它會(huì)看到電容器。如果電容器兩端的電壓恒定，則電流不會(huì)流動(dòng)。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入傳輸線，信號(hào)和返回路徑上會(huì)產(chǎn)生電壓。

在此過(guò)渡時(shí)間內(nèi)，隨著邊沿經(jīng)過(guò)，電壓發(fā)生變化，電流流過(guò)初始電容器。當(dāng)信號(hào)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(méi)有關(guān)系。電流的來(lái)回運(yùn)動(dòng)取決于直接環(huán)境和電壓變化的線路區(qū)域，即信號(hào)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(guò)信號(hào)和返回路徑之間的電容器，形成回路。當(dāng)電壓過(guò)渡沿通過(guò)線路傳播時(shí)，電流環(huán)路也通過(guò)傳輸線傳播。如果信號(hào)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(hào)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(huì)擾亂信號(hào)并使信號(hào)失真受控阻抗，妥協(xié)信號(hào)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(huì)立即發(fā)生，當(dāng)您打開(kāi)電路時(shí)，只需單擊一下，燈光就會(huì)發(fā)光。因?yàn)闋顟B(tài)的變化超出了人類(lèi)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(guò)電路時(shí)，它會(huì)在其附近建立一個(gè)電場(chǎng)。然后這些場(chǎng)線將通過(guò)周?chē)膶?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(shì)，因此電流通過(guò)電路。該電場(chǎng)產(chǎn)生電磁場(chǎng)電流通過(guò)的導(dǎo)體周?chē)?/p>

電磁場(chǎng)的變化傳播得非常快，但速度有限，而且場(chǎng)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(zhǎng)度移動(dòng)的過(guò)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(chǎng)和磁場(chǎng)。

布線不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電路中出現(xiàn)噪聲，并可能產(chǎn)生問(wèn)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(huì)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(jìng)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(shì)。

不僅更小，而且 PCB 現(xiàn)在變得更快。現(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(chēng)為高速PCB。其他因素包括材料、走線長(zhǎng)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(méi)有適當(dāng)?shù)姆祷芈窂讲季郑赡軙?huì)發(fā)現(xiàn)電流在接地平面的裂口周?chē)鷶U(kuò)散，從而導(dǎo)致信號(hào)完整性的損失。

高速 PCB 和電流返回路徑

無(wú)論您有多少經(jīng)驗(yàn)，您都可能忘記阻抗可能看起來(lái)像電阻。但事實(shí)并非如此。它是考慮時(shí)間和頻率依賴(lài)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(guò)孔，將走線與接地層連接起來(lái)。到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，它通過(guò)通過(guò)并通過(guò)過(guò)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(guò)孔。

但這里的問(wèn)題是如何？電流可以通過(guò)三個(gè)給定的路徑返回：最簡(jiǎn)單的已知路徑是追溯其流動(dòng)，即直接路徑。或者，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(guò)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(duì)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(duì)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?cè)赑CB中高速信號(hào)的影響.

通過(guò)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(guò)電感最小的路徑在頂部走線下方流動(dòng)。

對(duì)于高頻信號(hào)走線，a差分對(duì)用來(lái)。原因很簡(jiǎn)單：差分對(duì)既攜帶信號(hào)又?jǐn)y帶相反相位的信號(hào)。因此，輻射被抵消，流動(dòng)的電流為零。因此，它們可以對(duì)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(duì)抗感應(yīng)噪聲的差分對(duì)。

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(huì)出什么問(wèn)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(dòng)，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(hào)走線平面的下方。

但是返回路徑中的不連續(xù)會(huì)引起噪聲。用于通孔或過(guò)孔的切口、槽甚至間隙孔，所有這些都會(huì)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(huì)增加環(huán)路電感。因此，電流會(huì)擴(kuò)散并可能到達(dá)邊緣，形成天線。間隙孔對(duì)電流的威脅較小。除非孔重疊，否則問(wèn)題不大。讀如何限制 PCB 傳輸線中的阻抗不連續(xù)性和信號(hào)反射。

由于平面上的槽，電流在返回過(guò)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(hào)電流或返回電流路徑的一切都會(huì)影響信號(hào)的阻抗。因此，應(yīng)該像設(shè)計(jì)信號(hào)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(méi)有關(guān)系。

混合信號(hào)板中的電流返回路徑

混合信號(hào)板中的電流返回路徑。

在混合信號(hào)板中，必須規(guī)劃元件放置使模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)不會(huì)相互交叉。有關(guān)模擬信號(hào)的返回路徑，請(qǐng)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(huì)經(jīng)歷電容耦合，從而允許模擬和數(shù)字信號(hào)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(kāi)放置。目的是防止數(shù)字信號(hào)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(duì)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(guò)電路的所有高速信號(hào)提供接地回路過(guò)孔和路徑。一旦設(shè)計(jì)人員了解了信號(hào)的幾何形狀和特性，規(guī)劃信號(hào)的返回路徑就會(huì)變得更加容易。