Схема трасування друкованої плати для мінімізації індуктивності

Мені було цікаво, що інтуїція стоїть за розширенням слідів PCB, щоб мінімізувати індуктивність між слідом та його земною площиною. Багато посібників із швидкісного дизайну цитують це, не надаючи багато пояснень. Чи не повинна область петлі між слідом та її земною площиною залишатися однаковою, незважаючи на розширений слід?

Чому розширення вищенаведеного сліду мінімізує індуктивність? Ігнорування будь-яких вимог щодо поточної здатності сліду.

Чому розширення вищенаведеного сліду мінімізує індуктивність?

Повна індуктивність - це функція самоіндуктивності слідів (одна з них є площиною у вашому прикладі) та взаємної індуктивності між ними.

Для подальшого мінімізації загальної індуктивності взаємна індуктивність повинна бути максимальною . Це пов’язано з струмом, що тече в протилежних напрямках, внаслідок чого виникають протилежні магнітні поля. Взаємна індуктивність може бути збільшена за рахунок зменшення відстані між слідами (зменшення площі петлі) та збільшенням ширини. Я вважаю, що це пов'язане з розподілом магнітного поля навколо сліду, але це зводиться до питання фізики.

Візьмемо більш спрощений погляд.

Візьміть свій єдиний слід; вона має деяку індуктивність .$x$

Тепер додайте паралельно другий слід (з'єднаний на кожному кінці) однакової довжини та розмірів, щоб він також мав однакову індуктивність$x$

Тепер у вас є загальна індуктивність ; тобто половина індуктивності.$\frac x 2$

Тепер злийте сліди; у вас ще є індуктивність$\frac x 2$

Це показує, що розширення сліду зменшить індуктивність сліду. Як зазначалося, це також збільшить ємність, але це не питання.

[Оновлення]

Щоб зрозуміти, чому індуктивність насправді існує, давайте детальніше розглянемо, якою повинна бути схема, щоб протікати струм:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Припустимо, в моїй спрощеній схемі, що вихід Buf1 іде високим. Енергія для керування слідом надходить від джерела живлення, через драйвер до сліду, і петля закривається, щоб повернути той самий струм назад до негативної сторони джерела живлення.

Це необхідна умова для течії струму, яка є необхідною умовою існування магнітного поля навколо провідника; оскільки повинен бути зворотний струм , дійсно утворюється цикл.

Ви можете вважати цю статтю інформативною.

Одним із способів задуматися над цим питанням є те, що струм у верхньому сліді виробляє навколо себе магнітне поле. Струм у земній площині внизу також створюватиме магнітне поле, яке буде схильне скасовувати поле від верхнього сліду, коли воно тече у зворотному напрямку. Якщо два струми однакові (але протилежного напрямку) і мають однакове фізичне розташування (неможливо), два поля ідеально скасуються, а індуктивність буде нульовою. Якщо перенести два струми один від одного (наприклад, за товщиною друкованої плати), частина поля буде скасована (взаємна індуктивність), а частина не буде, що є причиною самоіндуктивності. Тепер, коли струм протікає через земну площину, він піде шляхом найменшого опору, або точніше, шлях найменшого опору, тому він намагатиметься протікати якомога ближче до сліду вище, оскільки це має найнижчу самоіндуктивність (імпеданс = опір + індуктивність широко). Ось чому наближення сліду до площини та зменшення площі петлі між ними зменшить індуктивність. Однак, і ось ось відповідь, весь струм у земній площині не може протікати через той же шматок міді, що магнітне поле одного рухомого електрона відштовхне інші рухомі електрони, щоб струм поширився по земній площині . Подібно до того, як струм від верхнього сліду виробляє магнітне поле, яке взаємодіє зі струмом із земної площини, поле одного рухомого електрона в земній площині взаємодіє із полем іншого, відштовхуючи їх. Таке поширення струму в площині заземлення збільшує самоіндуктивність, тому збільшуючи ширину верхнього сліду, два струми можуть більш тісно відображати один одного, що збільшує скасування поля та зменшує самоіндуктивність. Сподіваюся, що це пояснення дає вам деяке розуміння фізики, що займається.

Будь-які провідні частини поблизу локального магнітного поля змінного струму від струму в ізольованому проводі / провіднику будуть генерувати вихрові струми, і чим більше / ширше ізольована провідна частина, тим більшими будуть вихрові струми.

Магнітні поля також можуть згортатися на провідники, які їх створюють, і виробляють вихрові струми. Ці вихрові струми діють як невеликі розподілені короткочасні витки, і чим більше / ширше трек, тим більший, як правило, вихровий струм.

Отже, для жирних доріжок є більше вихрових струмів, і числовий ефект цього полягає у зменшенні загальної індуктивності колії / провідника.

Надаю два дуже прості "інтуїтивні" приклади, щоб відповісти на ваше запитання.

Приклад 1
З визначення індуктивності L = -V / (di / dt) видно, що:
зі збільшенням струму (di) індуктивність (L) зменшується.
Крім того, оскільки I = V / R, я збільшується зі зменшенням R.
Крім того, оскільки R = k / A, R зменшується у міру збільшення площі поперечного перерізу (A).
Тому в міру збільшення площі поперечного перерізу (А) індуктивність (L) зменшується .

Приклад 2
Складіть дві однакові окремі сліди з площею поперечного перерізу (А) = 1 кв. Мм. Скажімо, кожен має індуктивність 1 мч. Коли ви з'єднуєте кінці, це рівнозначно з'єднанню двох індукторів паралельно . Загальна індуктивність паралельно двох індукторів L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Оскільки L1 = L2, L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Це показує, що коли ми подвоюємо (збільшуємо) площу поперечного перерізу (A = 2 кв. Мм), ми скорочуємо (зменшуємо) індуктивність вдвічі.