مسیر برگشت الکتریکی در PCB چیست؟

یکی از جنبه های اساسی هر نمودار مدار، مسیر جریان برگشتی یا مسیر برگشت الکتریکی است. در یک نمودار مدار و یک نمودار شماتیک، مسیری که جریان الکتریکی طی می کند تا به سمت پایین پتانسیل منبع تغذیه برگردد باید واضح باشد، اما ممکن است در PCB چندان واضح نباشد. به نقل از اریک بوگاتین بزرگ در ارائه PCB West 2019، تمایز بین یک نمودار شماتیک و یک طرح PCB در فضای سفید شماتیک شما وجود دارد. به عبارت دیگر، شما باید هندسه چیدمان PCB خود را در نظر بگیرید تا درک کنید که چگونه جریان در سراسر سیستم حرکت می کند.

هندسه ردپاها و صفحات داخلی شما فقط یکی از جنبه هایی است که مسیر جریان برگشتی الکتریکی را در طرح PCB تعیین می کند. خود سیگنال به جهاتی مسیر بازگشت خود را انتخاب می کند. هنگامی که یک طراح درک می کند که هندسه و ویژگی های یک سیگنال چگونه بر مسیر جریان برگشتی تأثیر می گذارد، تعیین مسیر جریان برگشتی برای سیگنال ها بدون استفاده از حل کننده های میدان دو بعدی یا سه بعدی آسان تر می شود.

چه چیزی مسیر برگشت الکتریکی را در PCB تعیین می کند؟

ما دوست داریم بگوییم که جریان مسیر کمترین مقاومت را دنبال می کند، اما این واقعاً فقط برای مدارهای DC صادق است. با سیگنال های متغیر با زمان، جریان برگشتی مسیر کمترین راکتانس را دنبال می کند که همچنین مسیر کمترین امپدانس است. این بدان معنی است که مسیر جریان برگشتی در PCB شما کاملاً توسط امپدانس مداری که جریان برگشتی را حمل می کند تعیین می شود.

اگر این امر باطنی به نظر می رسد، برای لحظه ای ساختار یک PCB مدرن را در نظر بگیرید. جریان از منبع برق در امتداد ریل های منبع تغذیه یا یک هواپیمای برق جریان می یابد، در پایین دست به اجزای شما و در نهایت به سطح زمین، جایی که به انتهای پتانسیل پایین منبع برق برمی گردد. کل این مسیر دارای مقداری امپدانس مرتبط است.

برای لحظه ای به الکترونیک 101 برگردیم، امپدانس مشاهده شده توسط جریان در مدارهای شما را می توان به بخش مقاومتی (مستقل از فرکانس) و بخش راکتیو (وابسته به فرکانس) تقسیم کرد. در واقع، هر مدار روی یک PCB واقعی بسته به هندسه، رفتار اجزای مختلف و فرکانس سیگنالی که از مدار عبور می کند، می تواند به عنوان یک مدار کاملاً مقاومتی، کاملاً خازنی یا کاملاً القایی رفتار کند. مدارهای خطی واقعی روی یک برد باید حداقل به عنوان مدارهای RLC مدل شوند، حتی اگر مدار حاوی هیچ خازن یا سلف مجزایی نباشد.

چرا یک مدار در یک طرح PCB مانند مدار RLC عمل می کند؟این امر به این دلیل اتفاق می افتد که هادی های مجاور توسط یک بستر عایق از هم جدا می شوند ، که برخی از خازن انگلی را ایجاد می کند. رفتار القایی به این دلیل بوجود می آید که مسیر فعلی به دنبال آن یک جریان یک حلقه بسته را تشکیل می دهد ، و بستر دارای نفوذپذیری مغناطیسی است ، بنابراین هر مدار مانند یک به نظر می رسد و برخی از القاء انگلی است. این انگل ها و مقاومت طبیعی DC از هادی ها به امپدانس دیده شده توسط سیگنال ها در هنگام سفر در صفحه شما کمک می کنند. هنگامی که همراه با هندسه آثار و هواپیماها همراه هستند ، این افراد به طور جمعی مسیر را تعیین می کنند که به دنبال آن به منبع تغذیه باز می گردند.

چگونه فرکانس سیگنال بر مسیر جریان بازگشت الکتریکی در یک PCB تأثیر می گذارد

برای به دست آوردن این حس که چگونه مسیر جریان برگشت الکتریکی در یک PCB شکل می گیرد ، ابتدا به آنچه اتفاق می افتد با جریان DC در یک مثال ساده خواهیم پرداخت. نمای بالا در طرح مثال زیر اثری از لایه سطح یک PCB را نشان می دهد که منجر به IC می شود. نیمه پایینی شکل زیر صفحه زمین داخلی را در لایه دوم نشان می دهد. این دو هادی توسط بستر عایق ، که ظرفیت بین دو لایه را فراهم می کند ، از هم جدا می شوند. توجه داشته باشید که نمادهای خازن نشان داده شده در زیر وجود خازن های گسسته را نشان نمی دهد. این موارد را به عنوان بخشی از یک مدل مدار توده فکر کنید.(توجه: این در واقع به همین دلیل است که هر اثری از PCB واقعاً یک خط انتقال است ؛ بیشتر در این مقاله در مقاله آینده).

جریان DC که در لایه بالایی (در نقطه +5 ولت) سرچشمه می گیرد ، مستقیماً در امتداد ردیابی حرکت می کند ، که مسیر کمترین مقاومت را دارد. پس از ترک جریان ، IC ، از طریق A از طریق یک لایه داخلی وارد می شود و در امتداد هواپیمای زمین حرکت می کند. سپس از طریق دیگری به نقطه منبع تغذیه روی لایه سطح باز می گردد. جریان DC واکنش بی نهایت (در نتیجه امپدانس بی نهایت) بین لایه سطح و هواپیمای زمین را مشاهده می کند ، به این معنی که جریان مستقیماً از طریق خازن توده ای به بستر نمی رود. هنگامی که جریان وارد هواپیمای زمینی می شود ، مسیر حداقل مقاومت به GND را از طریق دنبال می کند. توجه داشته باشید که مسیر کمترین مقاومت فقط به نظر می رسد کوتاهترین فاصله (خط زرد مستقیم) بین دو ویاس باشد.

مسیر فعلی را در یک PCB برای جریان های DC برگردانید

با هر سیگنال متغیر زمانی (یا یک سیگنال پالس ، دیجیتال یا آنالوگ) ، وضعیت متفاوت است. از آنجا که ولتاژ و جریان در زمان تغییر می کند ، سیگنال می تواند جریان جابجایی را از طریق خازن توده در بستر القا کند ، که سپس از طریق هواپیمای زمین حرکت می کند. این بدان معنی است که جریان بازگشت در صفحه زمین زیر ردیابی تولید می شود. مقاومت با فرکانس تغییر نمی کند ، اما واکنش ارائه شده توسط خازن بستر به فرکانس بستگی دارد. تمایل به جریان در زیر ردیف سیگنال متمرکز می شود ، که مربوط به مسیر کمترین واکنش است.

مسیر فعلی را در یک PCB برای جریان های سریع متغیر بازگردید

توجه داشته باشید که خطوط زرد نشان داده شده در نمای بالا برای وضوح کمی از ردیابی مدار جبران می شوند ، اما امیدوارم بتوانید تفاوت مشخصی بین این دو موقعیت را مشاهده کنید. بدیهی است که وقتی چندین اثر ، قطعات و لایه های هواپیما در PCB داریم ، اوضاع پیچیده تر می شود. در واقعیت ، جریان برگشتی تقریباً توزیع گاوسی در زیر اثری در فرکانس های زیاد خواهد داشت (~MHz و بالاتر). در فرکانسهای متوسط (10 کیلو هرتز) ، هنوز هم جریان دیگری وجود خواهد داشت که مسیر بازگشت DC را دنبال می کند. به این مقاله از بروس Archambeault (شکل 3-5) نگاهی بیندازید تا ایده ای از آنچه در فرکانس های متوسط اتفاق می افتد ، دریافت کنید.

در مورد مسیرهای بازگشت الکتریکی سیگنال مختلط چیست؟

با استفاده از تابلوهای سیگنال مختلط ، کنترل مسیرهای جریان برگشتی الکتریکی شما حتی مهمتر است زیرا باید سعی کنید سیگنال های دیجیتال از القای جریان در بخش های آنالوگ تخته جلوگیری کنید. تقسیم طرح خود به بخش های آنالوگ و دیجیتال ، مسیری طولانی را به سمت کاهش متقاطع سیگنال مختلط پیش می برد. با این حال ، شما هنوز هم باید تلاش کنید تا مسیر جریان بازگشت در طرح PCB خود را تعیین کنید تا از تداخل ناخواسته در اجزای حساس جلوگیری کنید. Francesco Poderico یک آموزش عالی در تعیین مسیرهای بازگشت در تابلوهای سیگنال مختلط در مقاله اخیر ارائه می دهد.

اگر با تجزیه و تحلیل طرح خود زرنگ هستید ، احتمالاً نیازی به اجرای شبیه سازی از طراحی خود فقط برای تعیین مسیرهای فعلی نیست. با این حال ، ابزارهای شبیه سازی و حل کننده های میدان 2D/3D هنوز هم ارزش واقعی را ارائه می دهند و می توان برای تأیید بسیاری از گزینه های طراحی شما و عملکرد مدارهای مختلف در صفحه شما استفاده کرد.

با استفاده از ابزارهای قدرتمند طراحی و تجزیه و تحلیل PCB در Altium Designer ، می توانید تمام جنبه های طرحواره و طرح خود را تجزیه و تحلیل کنید ، و می توانید به جلوگیری از مشکلات یکپارچگی سیگنال که در PCB های پیچیده بوجود می آیند ، کمک کنید. این ابزارها در بالای یک موتور طراحی با قوانین یکپارچه ساخته شده اند و به شما امکان می دهند DRC های مهم را در طول فرآیند طراحی انجام دهید. همچنین به مجموعه کاملی از ویژگی های برنامه ریزی و مستند سازی در یک سیستم عامل واحد دسترسی خواهید داشت.

اکنون می توانید یک آزمایش رایگان از Altium Designer را بارگیری کرده و در مورد بهترین طرح ، شبیه سازی و ابزار برنامه ریزی تولید بیشتر بدانید. برای کسب اطلاعات بیشتر با یک متخصص Altium امروز صحبت کنید.< Span> با ابزارهای قدرتمند طراحی و تجزیه و تحلیل PCB در Altium Designer ، می توانید تمام جنبه های طرحواره و طرح خود را تجزیه و تحلیل کنید ، و می توانید به جلوگیری از مشکلات یکپارچگی سیگنال که در PCB های پیچیده بوجود می آیند ، کمک کنید. این ابزارها در بالای یک موتور طراحی با قوانین یکپارچه ساخته شده اند و به شما امکان می دهند DRC های مهم را در طول فرآیند طراحی انجام دهید. همچنین به مجموعه کاملی از ویژگی های برنامه ریزی و مستند سازی در یک سیستم عامل واحد دسترسی خواهید داشت.