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一文详解信号的回流路径

凡亿PCB 来源: 硬件笔记本 2024-12-25 10:17 次阅读

最近在看JT大佬出的一本高速PCB设计书籍,看到回流路径这里,让我想到最近两个群里都提到关于这个知识点的问题。书籍很好,但是也会有一些疑问,带着这些疑问我也查找了相关资料,我想着尽可能的结合书中知识以及自己的理解,把这个问题能给大家讲明白,如果有不对的地方,欢迎大家评论区留言。

本文要从以下五个小点进行阐述:

什么是信号的回流路径?

为什么要研究信号的回流路径?

高速信号的回流路径和低速信号的回流路径有什么不一样?

高速信号的回流路径在信号路径的下方,怎么理解?

了解回流路径之后,我们在PCB设计时需要注意什么?

问题1、什么是信号的回流路径?

我们先看一张很基础的图,电流从电池的正极出发,流向负载RL,再通过负载的另一端返回电池的负极,整个过程形成一个闭环,电流只能在这个环路中流动,这是电源的回流路径。

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信号的回流路径也差不多,信号从某个芯片的驱动引脚流出,经过传输线输送到终端,被另一芯片或其它电路元件接收。然后在信号驱动电压的驱使下,电流通过连接收发两个芯片地引脚的地线,流回驱动电压源的负极。

简单说,回流路径就是电流在源端流出,通过某个回路后,再返回来形成一个闭合回路,这个往返过程电流流过的路径就是整个信号的回流路径。

问题2、为什么要研究信号的回流路径?

为什么要研究信号的回流路径?换句话说,我们可以不管信号的回流路径吗?如果我们不管信号的回流路径,会造成什么后果?

1、信号完整性问题,信号的回流路径不连续会导致信号反射、衰减和失真。

2、信号衰减和噪声干扰,当参考平面出现不连续时,信号的回路电流会受到干扰,从而引发噪声问题。

3、电磁干扰EMI,不恰当的回流路径可能导致电磁干扰(EMI),影响系统的稳定运行。

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之所以会引起以上问题,是因为影响高速信号的最主要的因素是环路的寄生电感,电感量越大,环路阻抗越高,产生的感应电压也越高,就会形成强烈的噪声。这个环路就相当于一个环形线圈,会将干扰信号发射出去,同时也会接收外界的干扰,从而引起EMC问题。

问题3、高频信号的回流路径和低频信号的回流路径有什么不一样?

对于低频信号来说,信号会沿着阻抗最低的路径返回,这句话毋庸置疑。但是高频信号这么说就不一定对,随着信号频率的提高,导线的感抗逐渐加大,所以返回路径为感抗最低的回路,且集中在信号走线的下方,沿着PCB走线方向流动,大家可以看看下面这张图。

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这张图来源群聊,好像是JT大佬视频来的

讲到这里,王工有两个疑问:

1、寄生电感怎么来的?这不仅是本文重点考虑的因素,其它很多地方也都会听到寄生电感这个词,就算工作多年的工程师,你问他为什么,他可能会回答根据以往的经验得来。

2、为什么高速信号返回路径在信号走线的下方?

我们先来看第一点,寄生电感怎么来的?先来百度什么是电感,从最基础的开始抓起

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从定义可以总结出两点:1、闭合回路;2、感应电流。也就是说只要在闭合回路中,导线上的电流发生变化,就会产生变化的磁场,而变化磁场又会产生反向电场来阻止电流变化,这种属性就是电感,所以我们的电路中都会存在寄生电感。关注公众号硬件笔记本

而我们的感抗XL=2πfL,可以看出频率越高,感抗越大,所以高频信号必须要把寄生电感考虑进去。

为什么高速信号返回路径在信号走线的下方?请接着往下看

问题4、高速信号的回流路径在信号路径的下方,怎么理解?

再回到JT大佬的书,最上面是高速信号的一个回流路径示意图,信号走顶层,然后通过底层地平面返回。

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再通过一个公式和电流分布图,可得出:返回电流主要分布在走线中心的正下方,而且电流板层越薄,也就是信号跟地平面越靠近,电流分布就越集中。

这个公式看起来有点复杂,不太好理解,大家也不用纠结它怎么来的,记住这个结论就好。

问题5、了解回流路径之后,我们在PCB设计时需要注意什么?

1、减小信号回流的环路面积。环路面积的大小与线圈辐射和接收电磁波的能力成正比。减小环路面积有利用降低EMC。

2、走线尽可能短,地平面尽可能完整,且让信号线与回流地平面路径尽可能地靠近。

3、在芯片的引脚就近放置高频小电容,为返回电流提供返回通路,否则返回电流将寻找最近的电源平面和地平面的耦合途径进行回流(使得回流途径难以预知和控制,从而对其它走线造成串扰)。

本文转载自硬件笔记本公众号

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原文标题:你说得对 !!! 不懂信号的回流路径,画不好高速PCB

文章出处:【微信号:FANYPCB,微信公众号:凡亿PCB】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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