Co to jest ścieżka prądu powrotnego na płytce PCB?

© Altium

Jednym z fundamentalnych aspektów każdego schematu elektrycznego jest ścieżka prądu powrotnego. W schemacie elektrycznym i schemacie ideowym ścieżka, którą prąd elektryczny wraca do strony niskiego potencjału źródła zasilania, powinna być oczywista, jednak w przypadku płytki PCB nie jest to takie proste. Można tu zacytować Erica Bogatina z jego prezentacji podczas PCB West 2019, gdy powiedział, że różnica między schematem ideowym a układem płytki PCB kryje się w białych obszarach schematu. Innymi słowy, trzeba uwzględnić geometrię układu płytki PCB, aby dogłębnie zrozumieć przepływ prądu w układzie.

Geometria ścieżek i płaszczyzn wewnętrznych to tylko jeden z aspektów określających ścieżkę prądu powrotnego na płytce PCB. Sygnał sam w sobie, w pewien sposób, wybiera własną ścieżkę powrotną. Gdy projektant zrozumie wpływ geometrii i charakterystyki sygnału na ścieżkę powrotną, łatwiej mu będzie określić ścieżkę powrotną dla sygnału bez korzystania z solverów elektromagnetycznych 2D lub 3D.

Co określa ścieżkę prądu powrotnego na płytce PCB?

Mówi się, że prąd płynie ścieżką o najmniejszej rezystancji, ale to tak naprawdę dotyczy tylko obwodów prądu stałego. W przypadku sygnałów zmieniających się w czasie prąd powrotny płynie ścieżką o najmniejszej reaktancji, która jest równocześnie ścieżką o najmniejszej impedancji. To oznacza, że ścieżkę powrotną na płytce PCB określa w całości impedancja obwodu, przez który płynie prąd powrotny.

Jeśli brzmi to ezoterycznie, pomyślcie przez chwilę o strukturze współczesnej płytki PCB. Prąd przepływa ze źródła zasilania wzdłuż szyn zasilania lub płaszczyzny zasilania do podzespołów, a na koniec do płaszczyzny masy, skąd wraca do strony niskiego potencjału źródła zasilania. Cała ta ścieżka ma pewną impedancję.

Wróćmy na chwilę do podstaw elektroniki: impedancję napotykaną przez prąd w obwodach można podzielić na część rezystywną (niezależną od częstotliwości) oraz część reaktywną (zależną od częstotliwości). W rzeczywistości każdy obwód na prawdziwej płytce PCB może się zachowywać jedynie rezystywnie, jedynie pojemnościowo lub jedynie indukcyjnie, zależnie od geometrii, zachowania różnych podzespołów oraz częstotliwości sygnału przepływającego przez obwód. Rzeczywiste obwody liniowe należy modelować co najmniej jako obwody RLC, nawet jeśli dany obwód nie zawiera żadnych dyskretnych kondensatorów czy wzbudników.

Dlaczego obwód na płytce PCB działa jak obwód RLC? Wynika to z faktu, że sąsiadujące przewodniki są odseparowane za pomocą izolującego substratu, co powoduje powstanie pewnej pasożytniczej pojemności. Zachowanie indukcyjne wynika z faktu, że ścieżka, którą podąża prąd, tworzy zamkniętą pętlę, a substrat ma pewną przenikalność magnetyczną, przez co każdy obwód wygląda jak jakaś indukcyjność pasożytnicza. Te pasożytnicze i naturalne rezystancje DC przewodników składają się na impedancję napotykaną przez sygnały przepływające przez płytkę. W połączeniu z geometrią ścieżek i płaszczyzn określają one razem ścieżkę, którą płyną sygnały wracające do zasilania.

Wpływ częstotliwości sygnału na ścieżkę prądu powrotnego na płytce PCB

Żeby mieć wyobrażenie, jak się tworzy ścieżka prądu powrotnego na płytce PCB, musimy najpierw zobaczyć na prostym przykładzie, co dzieje się z prądem stałym. W górnej części przykładowego układu poniżej widać ścieżki na wierzchniej warstwie płytki PCB prowadzące do układu scalonego. W dolnej części ilustracji widać wewnętrzną płaszczyznę masy na drugiej warstwie. Te dwa przewodniki są oddzielone substratem izolacyjnym, który zapewnia pojemność między tymi dwiema warstwami. Trzeba zauważyć, że symbole kondensatorów na ilustracji nie oznaczają obecności dyskretnych kondensatorów; jest to raczej część całościowego modelu obwodu. (Uwaga: właśnie z tego powodu każda ścieżka na płytce PCB stanowi w rzeczywistości linię transmisyjną; więcej na ten temat omówimy w osobnym artykule).

Prąd stały pochodzący z górnej warstwy (w punkcie +5 V) przepływa bezpośrednio wzdłuż wytyczonej ścieżki, która jest ścieżką o najmniejszej rezystancji. Gdy prąd wypływa z układu scalonego, wpływa do wewnętrznej warstwy przez przelotkę i płynie wzdłuż płaszczyzny masy; następnie wraca inną przelotką do punktu zasilania na wierzchniej warstwie. Prąd stały napotyka nieskończoną reaktancję (a tym samym nieskończoną impedancję) między warstwą wierzchnią a płaszczyzną masy, co oznacza, że prąd nie płynie bezpośrednio do substratu przez pojemność całkowitą. Gdy prąd wpływa na płaszczyznę masy, podąża ścieżką o najmniejszej rezystancji do przelotki GND. Zauważmy, że ścieżka o najmniejszej rezystancji akurat stanowi najkrótszą odległość (żółta prosta) między dwiema przelotkami.

Rysunek 1: Ścieżka prądu powrotnego na płytce PCB dla prądów stałych

W przypadku dowolnego sygnału zmieniającego się w czasie (impulsu, sygnału cyfrowego albo analogowego) sytuacja wygląda inaczej. Ze względu na zmiany napięcia i prądu w czasie, sygnał może indukować prąd przesunięcia poprzez pojemność całkowitą w substracie, który płynie wtedy przez płaszczyznę masy. To oznacza, że na płaszczyźnie masy pod ścieżką powstaje prąd powrotny. Rezystancja nie zmienia się z częstotliwością, ale reaktancja zapewniana przez pojemność substratu jest zależna od częstotliwości. Prąd ma tendencje do koncentrowania się pod ścieżką sygnałową, która odpowiada ścieżce o najmniejszej reaktancji.

Rysunek 2: Ścieżka prądu powrotnego na płytce PCB dla prądów szybko zmieniających się w czasie

Zauważmy, że żółte linie na widoku z góry są nieco odsunięte od ścieżki obwodu dla przejrzystości rysunku, ale chyba wyraźnie widać różnicę między tymi dwiema sytuacjami. Sytuacja oczywiście staje się bardziej skomplikowana, gdy mamy wiele ścieżek, podzespołów i warstw na płytce PCB. W rzeczywistości prąd powrotny będzie powodował jakość przybliżoną dystrybucję Gaussa pod ścieżką przy wysokich częstotliwościach (rzędu MHz i większych). Przy średnich częstotliwościach (10–100 kHz) nadal będzie występował pewien prąd podążający ścieżką powrotną prądu stałego.

A co ze ścieżkami prądu powrotnego w przypadku sygnałów mieszanych?

W przypadku płytek sygnałów mieszanych kontrolowanie ścieżek prądu powrotnego ma jeszcze bardziej krytyczne znaczenie, ponieważ nie chcemy dopuścić, aby sygnały cyfrowe indukowały prąd w analogowych sekcjach płytki. Podzielenie układu na sekcję analogową i cyfrową w istotny sposób przyczynia się do ograniczenia przesłuchów sygnałów mieszanych. Jednak nadal trzeba postarać się określić ścieżkę prądu powrotnego na płytce PCB, aby zapobiec niezamierzonemu zakłócaniu działania wrażliwych podzespołów przez poszczególne typy sygnałów. Francesco Poderico w niedawnym artykule zaprezentował doskonały samouczek dotyczący określania ścieżek powrotnych na płytkach sygnałów mieszanych.

Osoby doświadczone w analizowaniu układów prawdopodobnie nie muszą uruchamiać symulacji tylko w celu określenia ścieżek powrotnych. Niemniej narzędzia do symulacji oraz solvery elektromagnetyczne 2D/3D zapewniają rzeczywiste wartości i można z nich korzystać do weryfikowania wielu wyborów projektowych oraz funkcjonalności różnych obwodów na płytce.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Altium

Kontakt w Polsce: Paweł Czyż 692 273 540

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!