PCB上的返回路径

电器工程 电路板 信号完整性 pcb层
2022-02-01 01:26:59

我花了整个周末来吸收 Eric Bogatin 的视频讲座并阅读他的书“信号和电源完整性 - 简化”

他指出,PCB 的返回路径可以是任何 DC 平面,可以是信号路径下方的 VCC 导轨。

考虑以下简单电路

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

如果 U1 和 U2 位于顶层并且 TX 和 RX 仅路由顶层,则信号(TX 到 RX)的返回路径将是 Vcc。我没问题。

我的问题是,当返回电流刚好到达 TX 引脚下方时,电流会流向哪里?在这一点上,它是找到通往 Gnd 的路还是回到 TX 并通过芯片,回到地面?

**从书中添加了文字**

在此处输入图像描述

4个回答

当 TX 从低到高切换时,电流如下所示:

电源Vcc -> PCB Vcc平面 -> U1.Vcc pin -> U1.TX pin -> U2.RX pin -> U2.Gnd pin -> “返回路径” -> PCB Gnd plane -> 电源Gnd

很高兴您了解我们所说的“返回路径”将是最近的平面(在本例中为 Vcc 平面)。这是有道理的,因为这些字段无法读取,因此无论您如何命名它们,它们都会在 PCB 中的金属部件之间形成。

在静态直流情况下,“返回路径”实际上是接地平面,因为它的阻抗最低。在较高频率下,场将形成到 Vcc 平面,并且在走线正下方的 Vcc 平面中的电流密度将很高。

那么电流如何从 Vcc 平面返回到 Gnd 平面以获得更高的频率呢?

好吧,请记住,在这些较高频率下,这两个平面之间的阻抗相当低。实际上,我们也希望在整个相关频率范围内使 Vcc 和 Gnd 之间的阻抗低(使用PDNTOOL.COM 之类的东西来设计),所以这并不奇怪(希望如此)。

Eric Bogatins 的书中也很好地介绍了 PDN 设计。

让我知道这是否对您有帮助?

希望您在两个芯片附近的 VCC 和 GND 之间提供了一些电源旁路电容器。这些旁路电容器将允许高频电流在 VCC 和 GND 之间流动。

请注意,这意味着旁路电容器成为返回路径的一部分,您需要考虑到这一点来评估部件选择和放置。

此外,芯片内的驱动器和接收器电路确定电流从哪个轨道流出。即使您使用 GND 作为参考平面,当驱动器拉高时,它也会从 VCC 导轨拉电流,因此 VCC 导轨和旁路电容器成为返回路径的一部分。

这也是我刚开始时也想知道的事情,直到约翰逊博士向我解释。当您读取高速信号的返回电流时,将沿着阻抗最小的路径返回。例如,在微带中,这将是最接近它的参考平面,而不管它承载的直流电压如何。正如您所说,参考您的 VCC 平面的迹线将使其返回电流沿 VCC 平面传播。

现在所有电流都在一个环路中流动,因此当它回到您示例中的芯片下方时,它将寻找 VCC 和 GND 之间的最低阻抗路径,这将是您策略性地放置在芯片附近的 I/O 去耦电容。

返回路径不会通过 Vcc。

考虑电流环路、TX 驱动级和 RX 输入级

以这个数字 I/O 为例(示例 I/O 阶段取自 ISO7221 数据表)

在此处输入图像描述

考虑两种状态

1. TX高:

在此处输入图像描述

在这种情况下,有一个初始的“充电”,以方便打开 RX 缓冲器的 GATE。之后只有泄漏电流流动(注意:这是忽略终端电阻)

2. TX低:

在此处输入图像描述

在这种情况下,TX 级将引脚保持为低电平,以促进电流从上拉电阻器流出。

在这两种情况下,电流都从电池的 +ve 流向电池的 -ve。

现在从 PCB 的角度考虑。在两个 IC 下方有一个连续的 VCC 和 GND 平面,将流过的电流将跟随迹线 - 非常小的环路。

假设两个芯片之间的 GND 平面出现断路,返回电流的路径不会遵循 TX 迹线 == 坏的路径。