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回流的基本概念
數(shù)字電路的原理圖中，數(shù)字信號的傳播是從一個(gè)邏輯門向另一個(gè)邏輯門,，信號通過導(dǎo)線從輸出端送到接收端,，看起來似乎是單向流動(dòng)的，許多數(shù)字工程師因此認(rèn)為回路通路是不相關(guān)的,。
畢竟,，驅(qū)動(dòng)器和接收器都為電壓模式器件，為什么還要考慮電流呢,？
實(shí)際上,，基本電路理論告訴我們，信號是由電流傳播的,，明確的說,，是電子的運(yùn)動(dòng)。電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留,，無論電流流到哪里,，必然要回來。因此電流總是在環(huán)路中流動(dòng),，電路中任意的信號都以一個(gè)閉合回路的形式存在,。
對于高頻信號傳輸，實(shí)際上是對傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過程,。
回流的影響
數(shù)字電路通常借助于地和電源平面來完成回流,。高頻信號和低頻信號的回流通路是不相同的,，低頻信號回流選擇阻抗路徑，高頻信號回流選擇感抗的路徑,。
當(dāng)電流從信號的驅(qū)動(dòng)器出發(fā),，流經(jīng)信號線，注入信號的接收端,，總有一個(gè)與之方向相反的返回電流：從負(fù)載的地引腳出發(fā),，經(jīng)過敷銅平面，流向信號源,，與流經(jīng)信號線上的電流構(gòu)成閉合回路,。
這種流經(jīng)敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號頻率相當(dāng)，信號頻率越高,，噪聲頻率越高,。
邏輯門不是對絕對的輸入信號響應(yīng)，而是對輸入信號和參考引腳間的差異進(jìn)行響應(yīng),。單點(diǎn)終結(jié)的電路對引入信號和其邏輯地參考平面的差異做出反應(yīng),，因此地參考平面上的擾動(dòng)和信號路徑上的干擾是同樣重要的。邏輯門對輸入引腳和的參考引腳進(jìn)行響應(yīng),，我們也不清楚到底哪個(gè)是所的參考引腳（對于TTL,，通常是負(fù)電源；對于ECL通常是正電源,，但是并不是全都如此）,，就這個(gè)性質(zhì)而言，差分信號的抗干擾能力就能對地彈噪聲和電源平面滑動(dòng)具有良好的效果,。
IC1為信號輸出端，IC2為信號輸入端（為簡化PCB模型，假定接收端內(nèi)含下接電阻）,，第三層為地層,。IC1和IC2的地均來自于第三層地層面。TOP層右上角為一塊電源平面,，接到電源正極,。C1和C2分別為IC1、IC2的退耦電容,。圖上所示的芯片的電源和地腳均為發(fā),、收信號端的供電電源和地。
在低頻時(shí),，如果S1端輸出高電平,，整個(gè)電流回路是電源經(jīng)導(dǎo)線接到VCC電源平面，然后經(jīng)橙色路徑進(jìn)入IC1,，然后從S1端出來,，經(jīng)第二層的導(dǎo)線經(jīng)R1端進(jìn)入IC2，然后進(jìn)入GND層,，經(jīng)紅色路徑回到電源負(fù)極。
在高頻時(shí),，PCB所呈現(xiàn)的分布特性會(huì)對信號產(chǎn)生很大影響,。我們常說的地回流就是高頻信號中經(jīng)常要遇到的一個(gè)問題。當(dāng)S1到R1的信號線中有增大的電流時(shí),，外部的磁場變化很快,，會(huì)使附近的導(dǎo)體感應(yīng)出一個(gè)反向的電流，如果第三層的地平面是完整的地平面的話,，那么會(huì)在地平面上產(chǎn)生一個(gè)藍(lán)色虛線標(biāo)示的電流,，如果TOP層有一個(gè)完整的電源平面的話，也會(huì)在TOP層有一個(gè)沿藍(lán)色虛線的回流,。此時(shí)信號回路有最小的電流回路,，向外輻射的能量最小，耦合外部信號的能力也最小,。高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)也是向外輻射能量最小,，原理是一樣的。
由于高頻信號電平和電流變化都很快,，但是變化周期短,，需要的能量并不是很大，所以芯片是和離芯片最近的退耦電容取電的,。當(dāng)C1足夠大,，而且反應(yīng)又足夠快（有很低的ESR值），位于頂層的橙色路徑和位于GND層的紅色路徑可以看成是不存在的（存在一個(gè)和整板供電對應(yīng)的電流,，但不是與圖示信號對應(yīng)的電流）,。
因此,，按圖中構(gòu)造的環(huán)境，電流的整個(gè)通路是：由C1的正極→IC1的VCC→S1→L2信號線→R1→IC2的 GND→過孔→GND層的黃色路徑→過孔→電容負(fù)極,。
可以看到,，電流的垂直方向有一個(gè)棕色的等效電流，中間會(huì)感應(yīng)出磁場,，同時(shí),，這個(gè)環(huán)面也能很容易的耦合到外來的干擾。
如果和圖中信號為一條時(shí)鐘信號,，并行有一組8bit的數(shù)據(jù)線,，由同一芯片的同一電源供電，電流回流途徑是相同的,。
如果數(shù)據(jù)線電平同時(shí)同向翻轉(zhuǎn)的話,，會(huì)使時(shí)鐘上感應(yīng)一個(gè)很大的反向電流，如果時(shí)鐘線沒有良好的匹配的話,，這個(gè)串?dāng)_足以對時(shí)鐘信號產(chǎn)生致命影響,。這種串?dāng)_的強(qiáng)度不是和干擾源的高低電平的絕對值成正比，而是和干擾源的電流變化速率成正比,，對于一個(gè)純阻性的負(fù)載來說,，串?dāng)_電流正比于：
dI/dt=dV/(T?10%-90%*R)
式中的dI/dt (電流變化速率)、dV(干擾源的擺幅)和R(干擾源負(fù)載)都是指干擾源的參數(shù),。如果是容性負(fù)載的話,，dI/dt是與T?10%-90%的平方成反比的。
從式中可以看出,，低頻的信號未必比高速信號的串?dāng)_小,。也就是我們說的：1KHz的信號未必是低速信號，要綜合考慮沿的情況,。對于沿很陡的信號,，是包含很多諧波成分的，在各倍頻點(diǎn)都有很大的振幅,。
因此,，在選器件的時(shí)候也要注意一下，不要一味選開關(guān)速度快的芯片,，不僅成本高,，還會(huì)增加串?dāng)_以及EMC問題。
任何相鄰的電源層或其它的平面,，只要在信號兩端有合適的電容提供一個(gè)到GND的低電抗通路,，那么這個(gè)平面就可以作為這個(gè)信號的回流平面。在平常的應(yīng)用中，收發(fā)對應(yīng)的芯片IO電源往往是一致的,，而且各自的電源與地之間一般都有0.01-0.1uF的退耦電容,，而這些電容也恰恰在信號的兩端，所以該電源平面的回流效果是僅次于地平面的,。而借用其他的電源平面做回流的話,，往往不會(huì)在信號兩端有到地的低電抗通路。這樣,，在相鄰平面感應(yīng)出的電流就會(huì)尋找最近的電容回到地,。如果這個(gè)“最近的電容"離始端或終端很遠(yuǎn)的話，這個(gè)回流也要經(jīng)過“長途跋涉"才能形成一個(gè)完整的回流通路,，而這個(gè)通路也是相鄰信號的回流通路,，這個(gè)相同的回流通路和共地干擾的效果是一樣的，等效為信號之間的串?dāng)_,。
對于一些無法避免的跨電源分割的情況,，可以在跨分割的地方跨接電容或RC串聯(lián)構(gòu)成的高通濾波器(如10歐電阻串680p電容，具體的值要依自己的信號類型而定,，即要提供高頻回流通路,，又要隔離相互平面間的低頻串?dāng)_)。這樣可能會(huì)涉及到在電源平面之間加電容的問題,，似乎有點(diǎn)滑稽,，但肯定是有效的。如果一些規(guī)范上不允許的話,，可以在分割處兩平面分別引電容到地,。
對于借用其它平面做回流的情況,，最好能在信號兩端適當(dāng)增加幾個(gè)小電容到地,，提供一個(gè)回流通路。但這種做法往往難以實(shí)現(xiàn),。因?yàn)榻K端附近的表層空間大多都給匹配電阻和芯片的退耦電容占據(jù)了,。
回流噪聲是參考平面上的噪聲主要的來源之一。因此有必要研究一下返回電流的路徑和流經(jīng)范圍,。
回流路徑理論知識
下圖中是印制板中的一條線路,，在導(dǎo)線上有電流通過，通常,，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號的導(dǎo)線,，從驅(qū)動(dòng)端到接收端，實(shí)際上,，電流總是在環(huán)路上才能流動(dòng),，傳輸線是我們可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來,，由于沒有物理線路,，回路途徑變得難于估計(jì)，要對他們進(jìn)行控制有一定的難度,。
如圖3.1所示,， PCB板上每條導(dǎo)線和其回路構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)路，根據(jù)電磁輻射原理,，當(dāng)突變的電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí),，將在空間產(chǎn)生電磁場，并對其他導(dǎo)線造成影響,，這就是我們通常所說的輻射,，為了減少輻射的影響，首先應(yīng)該了解輻射的基本原理和與輻射強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù),。
這些環(huán)路相當(dāng)于正在工作的小天線,，向空間輻射磁場。我們用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬它,，設(shè)電流為I,面積為S的小環(huán),，在自由空間為r的遠(yuǎn)場測得的電場強(qiáng)度為：
由式3.2知，輻射與環(huán)路電流和環(huán)面積成正比,，與電流頻率的平方成正比,。
印刷電路板中返回電流的路徑是與電流的頻率密切相關(guān)的。根據(jù)電路基本知識,，直流或低頻電流總是流向阻抗最小的方向,；而高頻的電流在電阻一定的情況下，總是流向感抗最小的方向,。
如果不考慮過孔在敷銅平面上形成的孔,、溝的影響，阻抗最小的路徑,，也就是低頻電流的路徑,，是由地敷銅平面上的弧形線組成，如圖3.2,。每根弧線上的電流的密度與此弧線上的電阻率有關(guān),。
對傳輸線來說,，感抗最小的返回路徑，也就是高頻電流返回路徑,，就在信號布線的正下方的敷銅平面上,，如圖3.3。這樣的返回路徑使得整個(gè)回路包圍的空間面積最小,，也就使得此信號形成的環(huán)形天線向空間輻射的磁場強(qiáng)度（或接收空間輻射的能力）最小,。
圖3.3 傳輸線返回電流密度分布圖
根據(jù)式3.3,，表3.1列出了流經(jīng)以傳輸線中心為中心,，寬度為 的帶狀區(qū)域內(nèi)的返回電流占所有返回電流的百分比。
假設(shè)英寸,，則經(jīng)過距離傳輸線0.035英寸以外的區(qū)域返回的電流只占所有返回電流的13％,，具體分到傳輸線的一側(cè)只有6.5％，而且密度很小,。因此可以忽略不計(jì),。
當(dāng)信號布線下方具有連續(xù)、致密,、完整的敷銅平面時(shí),，信號返回電流對敷銅平面的噪聲干擾是局部的。因此,，只要遵循布局,、布線局部化的原則，即人為地拉開數(shù)字信號線,、數(shù)字器件與模擬信號線,、模擬器件之間的距離到一定程度,，可以大幅度降低數(shù)字信號返回電流對模擬電路的干擾,。
高頻瞬態(tài)返回電流，經(jīng)由與信號走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）回流到驅(qū)動(dòng)端,。驅(qū)動(dòng)器信號走線的終端負(fù)載,，跨接在信號走線和與信號走線緊鄰的平面（地平面或電源平面）之間。
當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時(shí),，它們的輻射能量也就越大,，因此,，我們通過控制回流路徑，可以使得環(huán)繞區(qū)域最小,，從而控制輻射程度,。
回流問題的解決辦法
在PCB板上引起回流問題通常有三個(gè)方面：芯片互連，銅面切割,，過孔跳躍,。下面具體對這些因素進(jìn)行分析。
4.1 芯片互連引起的回流問題
當(dāng)數(shù)字電路工作時(shí),，將發(fā)生高,、低電壓之間的轉(zhuǎn)換，這就引起瞬態(tài)負(fù)載電流從電源流入電路或由電路流入地線,。
對于數(shù)字器件而言,，它引腳輸入電阻可以認(rèn)為無窮大，相當(dāng)于開路（即下圖中的i＝0）,，事實(shí)上,，回路電流是通過芯片與電源和地平面產(chǎn)生的分布電容和分布電感來返回的。以下以集電極輸出電路作為輸出信號的內(nèi)部電路為例進(jìn)行分析,。
①信號走線與電源平面緊鄰
驅(qū)動(dòng)端對信號走線和電源平面及終端負(fù)載構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行充電，電流從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件,，并從驅(qū)動(dòng)器輸出端流向負(fù)載端,；
高頻瞬態(tài)返回電流在信號走線下方的電源平面上回流到驅(qū)動(dòng)器的輸出端，返回電流直接通過電源平面,，從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器,，構(gòu)成電流環(huán)路。
②信號走線與地平面緊鄰
驅(qū)動(dòng)器對信號走線和電源平面及終端負(fù)載構(gòu)成的傳輸線進(jìn)行充電,，電流從驅(qū)動(dòng)器的電源管腳進(jìn)入器件,，并從驅(qū)動(dòng)器輸出端流向負(fù)載端；
4.1.2 驅(qū)動(dòng)端從高電平變化到低電平
相當(dāng)于輸出引腳吸收傳輸線上的電流,。
① 信號走線與電源平面緊鄰
② 信號走線與地平面緊鄰
4.2 覆銅切割造成的回流問題解決辦法
4.3 過孔造成的回流問題解決辦法
4.3.1 過孔形成的溝槽
在印制板信號布線時(shí),，如果是多層板，很多信號必須通過換層來完成連接任務(wù),，這時(shí)就要用到大量的過孔,，如果過孔在電源或地平面排列比較密集，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)許多過孔連成一片的情況,，形成所謂的溝,，如圖所示。首先,，我們應(yīng)該對這種情況進(jìn)行分析,，看看是否回流需要經(jīng)過溝槽,，如果信號的回流無需經(jīng)過溝槽，就不會(huì)對回流造成阻礙影響,。如果回路電路要繞過這條溝返回,，形成的天線效應(yīng)將急劇增加，對周邊信號產(chǎn)生干擾,。通常我們可以在涂敷數(shù)據(jù)生成后,，對過孔過密而形成溝槽的地方加以調(diào)整，使過孔之間留有一定的距離,。
4.3.2 過孔形成的跳層現(xiàn)象
下面我們以六層板為例進(jìn)行分析,。該六層板有兩個(gè)涂敷層，第二層為地層,，第五層為電源層,，因此表層和第三層的信號回流主要在地層；底層和第四層的回流主要在電源層,。
換層布線時(shí)有以下六種可能：
表層<->第三層
表層<->第四層
表層<->底層
第三層<->第四層
第三層<->底層
第四層<->底層
這六種可能的情況根據(jù)其回路電流的情況可以分為兩大類：回路電流在同一層上和在不同層上流動(dòng)的情況,，即是否有跳層現(xiàn)象。
① 回路電流在同一層上流動(dòng)的情況
包括表層<->第三層,、第四層<->底層,。
在這種情況下，回路電流都在同一層上流動(dòng),，但是,，由靜電感應(yīng)原理可知，處于電場中的完整的導(dǎo)體,，其內(nèi)部電場強(qiáng)度為零,，所有的電流均在導(dǎo)體表面流動(dòng)，地平面和電源平面實(shí)際上就是這樣一個(gè)導(dǎo)體,。
我們使用的過孔均為通孔,，這些過孔經(jīng)過電源和地平面時(shí)留下的孔洞就給涂敷層上下表面的電流的流通通過了路徑，因此,，這些信號線的回流途徑是很好的,，無需采用措施來改善。
② 回路電流在不同層上流動(dòng)的情況
包括表層<->第四層,、表層<->底層,、第三層<->第四層、第三層<->底層。
下面以表層<->底層和第三層<->第四層為例，分析其回流情況,。
具有跳層現(xiàn)象的信號,，需要其在過孔密集區(qū)附近增加一些旁路電容，通常為0.1uf的磁片電容,，用來提供一個(gè)回流通路的,。
來源：電子產(chǎn)品世界
