Схема трассировки печатной платы для минимизации индуктивности

Мне было интересно, что за интуиция стояла за расширением следов печатной платы, чтобы минимизировать индуктивность между следом и его земной плоскостью. Многие высокоскоростные руководства по проектированию приводят это без объяснения причин. Разве область петли между трассой и ее земной плоскостью не должна оставаться неизменной, несмотря на расширенную трассу?

Почему расширение вышеупомянутого следа минимизирует индуктивность? Игнорирование любых требований к текущим возможностям трассировки.

Почему расширение вышеупомянутого следа минимизирует индуктивность?

Общая индуктивность является функцией собственной индуктивности трасс (одна из которых является плоскостью в вашем примере) и взаимной индуктивности между ними.

Для дальнейшей минимизации общей индуктивности взаимная индуктивность должна быть максимальной . Это происходит из-за тока, протекающего в противоположных направлениях, что приводит к появлению противоположных магнитных полей. Взаимную индуктивность можно увеличить, уменьшив расстояние между трассами (уменьшив площадь петли) и увеличив ширину. Я полагаю, что это связано с тем, как магнитное поле распределено вокруг следа, но это сводится к физическому вопросу.

Давайте возьмем более упрощенное выражение.

$x$ .

$x$

$\frac x 2$ ; т.е. половина индуктивности.

$\frac x 2$

Это показывает, что расширение следа уменьшит индуктивность следа. Как уже отмечалось, это также увеличит емкость, но это не вопрос.

[Обновить]

Чтобы понять, почему индуктивность действительно существует, давайте более подробно рассмотрим, какой должна быть цепь для протекания любого тока:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Предположим в моей упрощенной схеме, что выход Buf1 идет высоко. Энергия для возбуждения трассы поступает от источника питания через драйвер на трассу, и контур замкнут для возврата того же тока обратно на отрицательную сторону источника питания.

Это обязательное условие для протекания тока, которое является обязательным условием для наличия магнитного поля вокруг проводника; так как должен быть обратный ток , петля действительно сформирована.

Вы можете найти эту статью информативной.

Один из способов решения этого вопроса заключается в том, что ток в верхнем следе создает вокруг него магнитное поле. Ток в заземленной плоскости ниже также будет создавать магнитное поле, которое будет стремиться нейтрализовать поле из верхнего следа, поскольку оно течет в противоположном направлении. Если два тока идентичны (но в противоположном направлении) и имеют одинаковое физическое местоположение (невозможно), два поля будут полностью отменены, и индуктивность будет нулевой. Если вы раздвинете два тока друг от друга (например, по толщине печатной платы), некоторые поля будут отменены (взаимная индуктивность), а некоторые - нет, что и является причиной собственной индуктивности. Теперь, когда ток течет через плоскость заземления, он пойдет по пути наименьшего сопротивления или, точнее, путь наименьшего импеданса, поэтому он будет пытаться течь как можно ближе к трассе выше, поскольку это имеет самую низкую собственную индуктивность (полное сопротивление = сопротивление + индуктивность). Вот почему приближение трассы к плоскости и уменьшение площади петли между ними уменьшит индуктивность. Однако, и вот ответ, весь ток в плоскости земли не может протекать через тот же кусок меди, поскольку магнитное поле от одного движущегося электрона оттолкнет другие движущиеся электроны, так что ток будет распространяться по плоскости заземления. , Подобно тому, как ток от верхнего следа создает магнитное поле, которое взаимодействует с током от плоскости земли, поле от одного движущегося электрона в плоскости земли взаимодействует с полем от другого, раздвигая их. Такое распространение тока в заземляющей плоскости увеличивает собственную индуктивность, поэтому при увеличении ширины верхней трассы два тока могут более точно отражать друг друга, что увеличивает подавление поля и уменьшает собственную индуктивность. Надеюсь, что это объяснение даст вам некоторое представление о физике.

Любые проводящие части вблизи локального переменного магнитного поля от тока в изолированном проводе / проводнике будут генерировать вихревые токи, и чем больше / шире изолированная проводящая часть, тем больше будут вихревые токи.

Магнитные поля могут также складываться на проводниках, которые их создают и создают вихревые токи. Эти вихревые токи действуют как крошечные распределенные короткие замыкания, и чем больше / шире дорожка, тем больше вихревые токи.

Следовательно, для более толстых дорожек существует больше вихревых токов, и численный эффект этого заключается в уменьшении общей индуктивности дорожки / проводника.

Я предоставляю два очень простых «интуитивных» примера, чтобы ответить на ваш вопрос.

Пример 1
Из определения индуктивности L = -V / (di / dt) видно, что:
с увеличением тока (di) индуктивность (L) уменьшается.
Кроме того, поскольку I = V / R, I увеличивается с уменьшением R.
Кроме того, поскольку R = k / A, R уменьшается с увеличением площади поперечного сечения (A).
Следовательно, с увеличением площади поперечного сечения (A) индуктивность (L) уменьшается .

Пример 2
Сделайте два одинаковых отдельных следа с площадью поперечного сечения (A) = 1 кв. Мм. Допустим, у каждого индуктивность 1 мч. Когда вы соединяете концы, это эквивалентно подключению двух индукторов параллельно . Общая индуктивность двух индукторов параллельно L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Поскольку L1 = L2, L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Это показывает, что когда мы удваиваем (увеличиваем) площадь поперечного сечения (A = 2 кв. Мм), мы сокращаем (уменьшаем) индуктивность в два раза.