PCB设计中的电流路径分析

PCB设计中的电流路径分析

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_42098658/article/details/141350899

在PCB设计中，电流路径的合理规划对于确保电路的稳定性和可靠性至关重要。本文将从电流路径的基本原理出发，深入探讨信号环路和回流路径、公共路径与接地处理以及电源路径与退耦问题，帮助读者全面理解电流路径分析的核心要点。

1、电流路径的基本原理

1.1 回流路径与环路阻抗的概念

1.2 环路阻抗的概念

1.3 环路阻抗（感抗）对信号的影响

2、信号环路和回流路径

2.1 降低回流路径阻抗的意义

减小回流环路面积，能有效降低感抗分量。
为每一个前向信号配置就近的回流路径，不仅能够减小环路之间的感抗，还能降低环路之间的互感。

2.2 降低回流路径阻抗的方法

指导性原则：不要怕信号线长、不要怕曲折，一定要为其提供一条环路面积小的回流路径。

常见错误示范：两个大环路面积上几乎重合，耦合系数很大，高频下互感严重

地线网格：有效降低信号回流路径面积

低阻抗平面：在布线区域保留一个完整的低阻平面，在其上方任意走线，电流能找到最小的回流路径(在信号线正下方)。

2.3 低阻抗平面的割裂问题

导线跨过割裂缝，回流路径绕行，引入额外的回流面积。
平行导线跨割裂缝，回流绕行路径重叠，引入额外的互感

解决跨分割办法：
1、短线加过孔搭桥
2、铺铜搭桥

2.4 回流路径跨层的处理

信号换层回流路径跟随跨越低阻抗平面，当分属不同的低阻抗平面时回流路径会被切断。可以在信号换层处加一颗高频电容，用于回流路径的跨层通路。

2.5 总结

1、信号回流路径往往比前向路径更重要
2、信号趋向走阻抗最小的回流路径
3、高频下环路感抗起决定作用，前向和回流路径的面积决定了感抗
4、完整的低阻抗平面，能有效降低环路感抗
5、回流路径若被切断，要通过各种手段缝补使之连通

3、公共路径与接地处理

3.1 公共路径及公共阻抗

大电流通过某些电路之间的公共路径时，其阻抗引起的压降会叠加在环路中，引起互相干扰。

地线公共路径的案例：

1. 滤波电容充放电的电流，流过了敏感的信号放大器地线->交流声
2. 喇叭回流电流，流过信号放大器地线->额外反馈，自激振荡

地线公共路径的案例：修改拓扑结构后

1. 原理图完全未变，仅仅是拓扑结构的变化，消除公共路径的影响
2. 充放电回路单独成环，喇叭大电流单独回流，互不影响
3. 小信号部分有公共路径，但其中没有大电流流过

模数混合电路例：
混合电路中，将敏感部分和干扰强烈的地线分开，消除公共路径。

3.2 接地点的分类

1. 按照敏感程度分类
2. 按照对外干扰分类
3. 接地点的分类组合

3.3 接地点处理

3.4 总结

1. 公共阻抗+大电流流过=相互干扰源
2. 地线分为敏感、干净、非敏感、骚扰四类组合
3. 保证敏感地尽量接近零电位
4. 保证骚扰地的回流电流流经敏感地部分
5. 跨接地线割缝的信号线，避免割缝对回流路径的影响
6. 慎用磁珠连接

4、电源路径与退耦问题

4.1 电源路径有关的概念

数字器件工作电流：

1. 数字电路的电流波形都是大电流脉冲尖峰，即便是低功耗芯片
2. 每次逻辑翻转都会伴随电流尖峰产生，
3. 脉冲尖峰电流中包含大量的高频分量

模拟器件工作电流

1. 模拟器件的工作电流与其信号频率有关，且对于单边电源来说呈脉动状态
2. 功率变换/开关电路，呈现周期性的脉动电流（可能还伴随强烈的高频干扰）

电源的环路阻抗与纹波

1. 高频脉冲电流，流经环路时感抗造成电源电压瞬间跌落，引起电源纹波
2. 对于高频尖峰，电源路径的阻抗以环路感抗为主此时加粗导线

退耦的概念

1. 对于尖峰高频脉冲电流，退耦环路面积小，感抗小。
2. 电源至退耦电容只剩低频分量，加粗导线即可

退耦缓解电源线公共阻抗影响

4.2电源退耦的要求

1. 退耦电容容量要求
   

2. 对退耦电容频率特性的要求
   对于大小电容并联：
   1、大电容呈电感特性，小电容呈容性，两者可能会构成并联谐振电路
   2、在谐振点处，将会呈现高阻抗特性，几乎呈断路，该频点信号无法穿过

4.3 多层板的退耦

1. 退耦半径的概念
2. 降低过孔引入的寄生电感