PCB设计中的信号回流实际路径分析

电流的路径是个环路。因此，每个电流信号有来肯定有回。

要获得最佳的PCB设计，需要了解信号的回流的实际路径。电路的信号完整性和EMC性能，直接与电流环路形成的电感相关，而电感大小则主要与环路的面积相关。

在做PCB设计时，比较容易忽略回流的实际路径，因为它不像信号路径(通常是微带线)那么形象。

微带线的回流路径

如上图所示，考虑一个两层的PCB板。

该电路在top层包括一个信号电流源，驱动一根微带线，微带线的另外一端，接一负载，并通过通孔2接到bottom层。

信号电流源的返回引脚(比如GND管脚)，也通过通孔1接到bottom层。

理想情况下，希望地平面上的各处压降为0，即通孔1和通孔2之间的阻抗为零。

那上面所述的简单电路结构中，如果信号频率发生变化，回流路径会发生什么变化呢？

用电磁仿真软件进行仿真，可以得到如下结果，如下图所示。

由此可见:

(1) 当频率变化时，在top层的信号路径是确定的，是沿着微带线的；

(2) 当频率变化时，在bottom层的回流路径是不确定的。因此，想要确定信号的回流路径，先要确定信号的频率。

如仿真结果所示，当频率为1KHz时，对应的仿真回流路径大部分是在两通孔之间的直线上。

几乎所有电流都遵循最短的电气距离，即电阻最小的路径；因此，只有一小部分电流从主返回路径扩散开来。

由于 DC 和极低频（通常低于 kHz）电流均匀分布在接地平面上(如a中绿色部分所示)，因此它会扩散到整个接地平面的横截面上，但是离电阻最小路径越远，电流密度越小。

而当频率升高时(1MHz以上)，回流路径则主要集中在微带迹线的下方。

也可以用一个公式来表示上述现象。

不按最短矩离流动的回流，占总电流的比例为

则当频率很低，或者信号为直流时:

当频率升高时，

从上面的公式，可以了解到，当低频率时(小于KHz)，回流路径主要是在最短路径上；在这条最短路径旁边，可能还会有一些小电流，而且电流的密度，离主路径越远，密度就越小。

当地平面的电阻显著小于电抗时(当频率在MHz以上)，回流路径不再均匀分布在地平面上，而是集中在迹线下方。

回流路径的电阻

对于微带线，在低频时回流路径的电阻如下图所示。

随着频率的增加，由于趋肤效应和邻近效应，平面中的电流分布会发生变化。走线和平面中的电流被拉向它们相应的附近表面。如下图所示。

当趋肤深度小于铜箔厚度时，此时对应的回流路径的电阻相比于低频时，式子稍有不同。需要将公式中的铜箔厚度改为趋肤深度。

当回流路径主要集中在微带线下方时，其回流路径上的压降，应用阻抗来描述。

在频率较低时，电阻占主导作用；而当频率升高时，电抗占主导作用。

审核编辑：郭婷