[SI-LIST] Re: AC current return path

  • From: Todd Hubing <hubing@xxxxxxxxxxx>
  • To: "si-list@xxxxxxxxxxxxx" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Fri, 8 May 2020 14:31:36 +0000

Yuriy,

Nice simulation! Thanks for sharing it! Note that even if you had terminated 
the loop on the top plane (forcing all the signal current to flow in the 
trace), there would still be a current in the plane under the trace. At kHz 
frequencies, the magnetic field induces an eddy current that attempts to cancel 
the magnetic flux passing through the plane. The current flowing in the trace 
loop would be approximately the signal voltage divided by the load impedance. 
At kHz frequencies, the current flowing in the disconnected plane would be 
approximately equal to that. Now if we terminate the source and load in the 
plane (as in your simulation), the signal current flowing directly between the 
source and load is canceled in the plane by the eddy current and we get the 
current distribution you are observing (i.e. the signal current returns in the 
plane under the trace). 

Of course, the rule that's often quoted is:

 "At kHz frequencies and below, currents take the path(s) of least resistance. 
At MHz frequencies and above, currents take the path of least inductance."

This is generally correct for circuit board and system geometries. For a 
straight trace over half-ounce copper, I believe the currents in the plane will 
spread out significantly at 1 kHz and be basically the same as the DC 
distribution at 100 Hz.

Thanks again for sharing this! Your simulations have really helped to visualize 
fields and currents in a variety of important situations. 

Best regards,

Todd
---------------------
Todd Hubing
LearnEMC, LLC


-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx <si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx> On Behalf Of 
Yuriy Shlepnev
Sent: Thursday, May 7, 2020 10:47 AM
To: si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [SI-LIST] AC current return path

Hello Everyone,
I did a quick investigation (numerical experiment) of AC current return path on 
PCB - it is #2020_23 at https://www.simberian.com/ScreenCasts.php ;(see "How 
interconnects work"
section, YouTube version is at https://youtu.be/qeJ2EqaiBdc). 
It is about a curved trace over large plane and attempt to force current to 
"return" directly between input and output.  At DC current follows the path of 
least resistance (no inductance effect) - about straight line between input and 
output or direct path. At high frequencies (or AC) current follows the path of 
least impedance - mostly below the trace, as you can see. The resistance of 
such path is larger, but inductance is much smaller comparing to the loop 
inductance. When frequency goes down, the total impedance of the straight line 
path becomes smaller and the return current flows directly.
The question is at which frequency AC current switches to the direct path?
It is relatively easy to estimate the crossover frequency, but not so easy to 
simulate and visualize for PCB geometries. My conclusion is that it happens at 
Hz frequencies (depends on stackup), rather than at KHz or MHz frequencies - 
can it be true? As usual, I will appreciate any feedback.

Best regards,
Yuriy

Yuriy Shlepnev, Ph.D.
President, Simberian Inc.

www.simberian.com
Simbeor THz - Accurate, Productive and Cost-Effective Electromagnetic Signal 
Integrity Software to Design Predictable Interconnects!
Simbeor SDK - The Industry-First Signal Integrity Analysis Automation Kit!


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: