前段时间在公 众号发了一个问题,即下图,问这个拓扑有什么问题?
上周针对这个电路拓扑最典型的问题——电路之间互联环路,进行了针对性探讨,具体请查看《电路拓扑的问题分析(1)--互连和双绞线的模型分析》。今天我们再讨论另一个问题——信号回流路径的选择及模型分析。
在开始讨论前,我们先对上面的电路拓扑稍加调整。假如电路1和电路2是在同一块PCB板上,我们只保留电路1的某个信号,同样电路2也只保留某信号。
红线:表示该信号的PCB走线,红色箭头表示信号走向,电流为I1;
黑线:表示该信号可能的回流路径,黑色箭头表示回流方向,可能的回流路上的电流分别为I2和I3。
上图为平面图,理解起来可能不够直观。你可能疑问:怎么会有两种回流路径?很好!如果有这个疑问,说明你在认真思考这个问题。可以带着问题继续看下图。
上图中,红色是信号走线,两种蓝色都是信号在参考层中可能的回流路径。见多识广的你,可能在其他文献中看到过类似的图片。
如果你拿到的文献介绍的比较详细,还可能会提到:信号速率不同,返回电流的路径选择会存在不同。
如果你找到的文献介绍的更加详细,还可能会提到:信号速率大概在50kHz(或100kHz)以上,返回电流通常在信号参考层下方(或上方,具体依据PCB叠层设计)。信号速率在50kHz(或100kHz)以下,返回电流在参考层通常走电阻最小的路径。能直接回流过去,就不会来回绕弯。
这里的50kHz或100kHz,是估算值。不同文献的说法,可能略有差异,基本都在这个范围。但是我们更应该考虑的是:为什么会有这种回流路径选择现象?有的同学可能会说趋肤效应、趋肤深度等等之类的,这个计算起来太过复杂,今天我们换一个维度来讨论,尽可能简单。
根据安培定律,我们知晓一根存在电流流动的直导线外围存在磁场,导体周围产生磁通量φ。φ=L*I,L是导线自身的电感,I是导线中的电流。
如果两根直导线1和2相互靠近,彼此都存在于对方的磁场中,两者之间会存在互感M12。为了适配本文,导线电流方向是相反的。
导线1上的φ1和U1,以及导线2上的φ2和U2,相关推导过程,在邱关源《电路》第10章“含有耦合电感的电路”有明确的解析和过程推导,这里不做扩展。如果没有印象的,可以回复重温一下,这里我们更关注的是,信号线和回流的定量关系可以用导线1和导线2来做模型分析。接下来往本文案例中靠拢。