Was ist die Rückstromführung in einem PCB?

Einer der wesentlichen Aspekte jedes Schaltbildes ist der Rückstrompfad. In einem Schaltbild oder Schaltplan sollte der Pfad, dem der elektrische Strom folgt, um zur Niedrigpotenzial-Seite einer Stromquelle zurückzukehren, ersichtlich sein, er ist aber möglicherweise aber in einer PCB nicht so offensichtlich. Um den großartigen Eric Bogatin bei seiner Präsentation der PCB West 2019 zu zitieren, die Unterscheidung zwischen einem Schaltplan und einem PCB-Layout lebt im Leerraum Ihres Schaltplans.  Anders ausgedrückt, Sie müssen die Geometrie Ihres PCB-Layouts berücksichtigen, um tiefgehend zu verstehen, wie sich Strom durch das System bewegt.

Die Geometrie Ihrer Leiterbahnen und inneren Ebenen ist nur ein Aspekt, der den Rückstrompfad in einem PCB-Layout festlegt. Das Signal selbst wird in gewisser Hinsicht seinen eigenen Rückpfad wählen. Wenn ein Designer erst einmal verstanden hat, wie sich die Geometrie und die Eigenschaften eines Signals auf den Rückpfad auswirken, wird es leichter, den Rückpfad für Signale festzulegen, ohne auf 2D- oder 3D-Field Solver zurückzugreifen.

Was bestimmt den Rückstrompfad in einer PCB?

Wir möchten sagen, dass Strom dem Weg des geringsten Widerstands folgt, aber dies stimmt nur für DC-Schaltkreise. Mit zeitvariablen Signalen folgt der Rückstrom dem Weg des geringsten Widerstands, der auch der Weg der geringsten Impedanz ist. Dies bedeutet, dass der Rückpfad in Ihrer PCB vollständig von der Impedanz der Schaltung bestimmt wird, die den Rückstrom führt.

Wenn dies esoterisch klingt, denken Sie einen Moment über die Struktur einer modernen PCB nach. Strom fließt von der Stromquelle Versorgungsschienen oder einer Stromebene entlang, nachgeschaltet in Ihre Bauteile und schließlich in die Massefläche, wo er zu dem Niedrigpotenzial-Ende der Stromquelle zurückfließt. Dieser ganze Pfad hat zugeordnete Impedanz.

Wenn wir für einen Moment zu Elektronik 101 zurückgehen, kann die Impedanz, die von Strom in Ihren Schaltungen gesehen wird, in einen Widerstandsabschnitt (unabhängig von Frequenz) und einen reaktiven Teil (abhängig von Frequenz) aufgeteilt werden). In Wirklichkeit kann sich eine Schaltung auf einer PCB als eine rein ohmsche, rein kapazitive oder rein induktive Schaltung benehmen, je nach der Geometrie, Verhalten von verschiedenen Bauteilen und Frequenz des Signals, das sich durch eine Schaltung bewegt. Echte lineare Schaltungen auf einer Platine sollte mindestens als RLC-Schaltungen modelliert werden, auch wenn die Schaltung keine diskreten Kondensatoren oder Spulen enthält.

Warum sollte eine Schaltung in einem PCB-Layout wie eine RLC-Schaltung funktionieren? Dies geschieht, weil angrenzende Kondensatoren von einem isolierenden Substrat getrennt werden, das eine Streukapazität erzeugt. Das induktive Verhalten entsteht, weil der Pfad, dem der Strom folgt, eine geschlossene Schleife bildet und das Substrat eine gewisse magnetische Permeabilität aufweist, so dass jede Schaltung aussieht, als hätte sie eine parasitäre Induktivität. Diese Störungen und der natürliche DC-Widerstand von Kondensatoren tragen zu der Impedanz bei, die von Signalen gesehen wird, wenn sie sich durch Ihre Platine bewegen. Wenn mit der Geometrie von Leiterbahnen und Ebenen zusammengenommen, bestimmen diese kollektiv den Pfad, dem Signale folgen, wenn sie zur Stromversorgung zurückkehren.

Wie Signalfrequenz sich auf den Rückstrompfad in einer PCB auswirkt

Um einen Eindruck zu erhalten, wie der Rückstrompfad gebildet wird, müssen wir uns zuerst in einem einfachen Beispiel ansehen, was mit DC-Strom geschieht. Die obere Ansicht in dem Beispiel-Layout zeigt Leiterbahnen auf der Oberflächenschicht einer PCB, die zu einem IC führen. Die untere Hälfte der Abbildung zeigt die innere Massefläche in der zweiten Schicht. Die beiden Kondensatoren werden durch das isolierende Substrat getrennt, was zwischen den beiden Schichten für Kapazität sorgt. Beachten Sie, dass die unten gezeigten Kondensator-Symbole nicht auf das Vorhandensein von diskreten Kondensatoren hinweisen; denken Sie an diese als Teil eines diskreten Schaltkreis-Modells. (Hinweis: Dies ist tatsächlich der Grund, dass jede Leiterbahn in einer PCB tatsächlich eine Übertragungsleitung ist; mehr dazu in einem zukünftigen Artikel).

Ein DC-Strom, der aus der oberen Schicht stammt (bei der +5V-Stelle), fließt direkt entlang der Leiterbahn, die den Weg des geringsten Widerstands aufweist. Nachdem der Strom den IC verlassen hat, fließt er durch eine Durchkontaktierung in die innere Schicht und fließt der Massefläche entlang; dann kehrt er durch eine andere Durchkontaktierung zudem Versorgungspunkt auf der Oberflächenschicht zurück. Der DC-Strom zeigt infinite Reaktanz (somit infinite Impedanz) zwischen der Oberflächenschicht und der Massefläche, d.h. der Strom fließt durch die diskrete Kapazität nicht direkt zu dem Substrat.  Wenn der Strom erst einmal in die Massefläche geflossen ist, folgt er dem Weg des geringsten Widerstands zu der GND-Via zurück. Beachten Sie, dass der Weg des geringsten Widerstands zufällig der kürzeste Weg (die gerade gelbe Linie) zwischen den Vias ist.

Mit einem zeitvariablen Signal (entweder ein Impuls, digitales oder analoges Signal) ist die Situation anders. Weil die Spannung und der Strom sich irgendwann ändern, kann das Signal durch die diskrete Kapazität im Substrate einen Verschiebungsstrom induzieren, der dann durch die Massefläche fließt. Das bedeutet, dass der Rückstrom in der Massefläche unter der Leiterbahn erzeugt wird. Der Widerstand ändert sich nicht mit der Frequenz, aber die von der Substrat-Kapazität gelieferte Reaktanz hängt von der Frequenz ab. Strom neigt dazu, unter der Signalspur konzentriert zu sein, die dem Weg des geringsten Widerstands entspricht.

Beachten Sie, dass die gelben Linien in der oberen Ansicht zur Verdeutlichung leicht von der Schaltungsspur versetzt sind, aber hoffentlich können Sie den deutlichen Unterschied zwischen diesen beiden Situationen sehen. Die Situation wird offensichtlich komplizierter, wenn wir mehrere Leiterbahnen, Bauteile und Masse-Ebenen-Schichten in einer PCB haben. In Wirklichkeit hat der Rückstrom eine annäherungsweise Gaußsche Verteilung unter der Leiterbahn bei hohen Frequenzen (~MHz und höher). Bei mittleren Frequenzen (10 kHz) gibt es immer noch einen gewissen Strom, der dem DC-Rückpfad folgt. Sehen Sie sich diesen Artikel von Bruce Archambeault (Abb. 3-5) an, um eine Idee davon zu bekommen, was bei mittleren Frequenzen geschieht.

Wie steht es mit Rückstrompfaden bei gemischten Signalen?

Mit gemischten Signal-Platinen ist die Kontrolle Ihrer Rückstrompfade sogar noch schwieriger, wenn Sie versuchen wollen zu verhindern, dass digitale Signale einen Strom in analoge Abschnitte der Platine induzieren. Die Aufteilung Ihres Layouts in analoge und digitale Abschnitte trägt wesentlich dazu bei, das Übersprechen gemischter Signale zu verringern. Sie sollten sich jedoch weiterhin anstrengen, den Rückstrompfad in Ihrem PCB-Layout zu bestimmen, um zu verhindern, dass verschiedene Signaltypen versehentlich empfindliche Bauteile stören. Francesco Poderico bietet in einem aktuellen Artikel eine hervorragende Anleitung zur Bestimmung von Rückpfaden in Platinen mit gemischten Signalen an.

Wenn Sie mit Ihrer Analyse Ihres Layouts Ahnung haben, werden Sie wahrscheinlich keine Simulationen von Ihrem Design durchführen müssen, nur um den Rückpfad zu bestimmen. Simulations-Tools und 2d-/3D- Field Solver bieten jedoch weiterhin echten Nutzen und können verwendet werden, um viele Ihrer Design-Auswahlmöglichkeiten und die Funktionalität verschiedener Schaltungen in Ihrer Platine zu überprüfen.

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