Что такое возвратный путь тока на печатной плате?

Знаете ли вы, как определить возвратный путь тока в конструкции платы?

Одним из основных аспектов любой электрической схемы является путь возвратного тока. Если на схеме путь, по которому идет ток, чтобы вернуться к полюсу низкого потенциала источника питания, должен быть очевиден, то он может быть не столь очевиден на плате. По словам великого Эрика Богатина (Eric Bogatin) на докладе PCB West 2019, различия между электрической схемой и топологией платы обитают в пустом пространстве схемы. Иными словами, для  более глубокого понимания того, как ток движется в устройстве, необходимо рассматривать топологию платы.

Геометрия трасс и внутренних слоев является лишь одним из аспектов, который определяет путь возвратных токов в плате. Сам сигнал, в некотором смысле, выбирает собственный возвратный путь. Если конструктор понимает, как геометрия и характеристики сигнала влияют на возвратный путь, становится проще определить возвратный путь для сигналов, не прибегая к использованию 2D- и 3D-анализаторов полей.

Что определяет путь возвратного тока в плате?

Мы говорим, что ток идет по пути наименьшего сопротивления, но это справедливо только для цепей постоянного тока. Для изменяющихся со временем сигналов, возвратный ток следует по пути наименьшего реактивного сопротивления, который также является путем наименьшего полного сопротивления. Это значит, что возвратный путь в плате определяется полным сопротивлением цепи, по которой идет возвратный ток.

Если это звучит неясно, немного рассмотрим структуру современной платы. Ток идет от источника по шине питания или по экранному слою, далее к компонентам и затем к слою земли, по которому он идет обратно к полюсу низкого потенциала источника. У всего этого пути есть некоторое полное сопротивление.

Из базового курса электроники мы помним, что полное сопротивление можно разделить на активную часть (не зависит от частоты) и реактивную (зависит от частоты). На самом деле, любая цепь в реальной печатной плате может вести себя как чисто резистивная, чисто емкостная или чисто индуктивная, в зависимости от геометрии, работы различных компонентов и частоты протекающего через цепь сигнала. Реальные линейные цепи на плате следует моделировать по крайней мере как RLC-цепи, даже если цепь не содержит дискретных конденсаторов или индуктивностей.

Почему цепь на плате работаете как RLC-цепь? Это происходит, поскольку смежные проводники разделены диэлектрической подложкой, что создает некоторую паразитную емкость. Индуктивность возникает, поскольку путь, по которому идет ток, формирует замкнутый контур и подложка обладает некоторой магнитной проницаемостью, поэтому у каждой цепи есть некоторая паразитная индуктивность. Эти паразитное сопротивление и сопротивление по постоянному току вносят свой вклад в полное сопротивление при прохождении сигнала по плате. В совокупности с геометрией трасс и плоскостей, они определяют путь, которому следует сигнал при возврате к источнику питания.

Как частота сигнала влияет на возвратный путь в плате

Чтобы понять, как в плате образуется возвратный путь тока, сначала на простом примере рассмотрим, что происходит с постоянным током. На виде сверху изображения ниже показаны трассы, идущие к микросхеме, на верхней стороне платы. В нижней части изображения показан внутренний слой земли. Два проводника разделены диэлектрической подложкой, что формирует емкость между двумя слоями. Обратите внимание, что символы конденсатора, показанные ниже, не означают наличие дискретных конденсаторов – воспринимайте их как часть модели с сосредоточенными параметрами. Обратите внимание, что это, по сути, причина того, что каждая трасса в плате является линией передачи.

Постоянный ток, который начинается на верхнем слое (в точке +5 V), следует прямо вдоль трассы, что является путем наименьшего сопротивления. После того, как ток покидает микросхему, он входит во внутренний слой через переходное отверстие и идет вдоль слоя земли, после чего возвращается к источнику питания на внешнем слое через другое переходное отверстие. Для постоянного тока реактивное сопротивление между внешним слоем и слоем земли бесконечно (и, соответственно, полное сопротивление), что означает, что ток не проходит прямо на подложку через сосредоточенную емкость. Когда ток переходит на слой земли, он идет по пути наименьшего сопротивления обратно к переходному отверстию. Обратите внимание, что этот путь наименьшего сопротивления является кратчайшим расстоянием (прямая желтая линия) между двумя переходными отверстиями.

Возвратный путь тока на плате для постоянного тока

Для изменяющихся со временем сигналов (будь то импульс, цифровой или аналоговый сигнал) ситуация иная. Поскольку напряжение и ток меняются со временем, сигнал может наводить ток смещения через сосредоточенную емкость в подложке, и этот ток затем будет идти в слое земли. Активное сопротивление не изменяется с частотой, в отличие от реактивного сопротивления, образованного емкостью подложки. Ток концентрируется под трассой сигнала, которая соответствует пути наименьшего сопротивления.

Возвратный путь тока в плате для изменяющихся со временем токов

Обратите внимание, что желтые линии, показанные на виде сверху, несколько смещены от трассы сигнала для более ясного представления, и вы можете видеть разницу между этими двумя случаями. Очевидно, ситуация усложняется при большем количестве трасс, компонентов и экранных слоев в плате. На самом деле, возвратный ток имеет примерно гауссово распределение под трассой на высоких частотах (мегагерцы и выше). На средних частотах (десятки килогерц) здесь всё ещё будет некоторый ток, который идет по пути постоянного тока. Посмотрите статью Брюса Арчамбо (Bruce Archambeault) (рисунки 3-5), чтобы понять, что происходит на средних частотах.

Что насчет возвратных путей смешанных сигналов?

В платах смешанного типа, управление возвратными путями становится еще более важным, поскольку необходимо устранить наведение токов в аналоговой части платы цифровыми сигналами. Разделение топологии на аналоговую и цифровую части имеет большое значение для уменьшения перекрестных помех смешанных сигналов. Тем не менее, всё ещё необходимо прилагать усилия для определения возвратного пути в плате, чтобы предотвращать влияние сигнала любого из типов на чувствительные компоненты. Франческо Подерико (Francesco Poderico) привел отличный урок по тому, как определять возвратные пути в платах смешанного типа в недавней статье.

Если вы разбираетесь в анализе топологии своих проектов, то вам, скорее всего, не нужно запускать моделирование только для того, чтобы определить возвратные пути. Тем не менее, инструменты моделирования и 2D/3D-анализаторы полей всё ещё могут быть полезными и их можно использовать для проверки конструктивных решений и работы различных цепей на плате.

Благодаря мощным средствам проектирования и анализа плат Altium Designer вы можете проводить анализ всех аспектов схем и плат и устранять потенциальные проблемы целостности сигналов, которые возникают в сложных конструкциях плат. Эти средства являются частью унифицированного ядра проектирования, что позволяет проводить важные проверки правил в процессе проектирования. В вашем распоряжении также находится полный набор инструментов планирования производства и формирования документации – вс` в рамках единой платформы.

Вы можете загрузить бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли средствах создания схем, конструирования и анализа. Поговорите с экспертом Altium, чтобы узнать больше.