Схема трассировки печатной платы для минимизации индуктивности

13

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?

введите описание изображения здесь

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

wubzorz
источник
Расширение следа не минимизирует индуктивность, а уменьшает ее. Это также увеличивает емкость и, следовательно, изменяет характеристическое сопротивление, так что, по сути, ваш вопрос относится к статьям, которые об этом. Если нет, можете ли вы ссылку на статью (ы).
Энди ака
Вопрос просто связан с тем, почему уменьшение ширины дорожки на приведенном выше рисунке уменьшает индуктивность. Мое утверждение заключается не в статьях / руководствах, которые рекламируют этот совет по дизайну, а в том, что они не публикуют (более одного или двух предложений) фундаментальную причину, ПОЧЕМУ индуктивность уменьшается.
wubzorz
Уменьшение ширины дорожки должно увеличить индуктивность, а не уменьшить ее.
Энди ака
Мои извенения. «Почему увеличение ширины дорожки на приведенном выше рисунке уменьшает индуктивность».
wubzorz
В конце концов, этот вопрос сводится к рассмотрению физики, это просто физический факт. Однако уменьшение площади петли оказывает гораздо большее влияние на общую индуктивность петли, чем увеличение ширины.
Rev 1.0

Ответы:

4

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.

rev1.0
источник
Эти "противоположные" магнитные поля уменьшают плотность магнитного потока между следом и плоскостью? Таким образом, взаимное поле, обеспечиваемое обоими проводниками, эффективно противостоит друг другу и уменьшает поток в этой области? Я могу понять, почему расстояние между двумя проводниками уменьшило бы индуктивность, однако, как бы расширить ширину, скажем ... трасса сама по себе уменьшила бы ее? Единственный способ понять, почему это происходит из-за вихревых токов в «более широком» проводнике, вносящих более «противоположный» поток в область между двумя проводниками.
wubzorz
«Я могу понять, почему расстояние между двумя проводниками уменьшило бы индуктивность» - это уменьшает собственные индуктивности L1 (след) и L2 (плоскость). "Как бы расширить ширину, скажем ... след сам по себе снизил бы ее?" - Увеличение ширины увеличивает взаимную индуктивность, которая по существу вычитается из суммы собственных индуктивностей, чтобы получить индуктивность контура .
Rev 1.0 1.0
Как мы определяем самоиндуктивность чисто прямого провода? Разве суммирование самоиндуктивностей не должно быть незначительным по сравнению с взаимной индуктивностью? Теперь я вижу, что более широкая трасса увеличивает взаимную индуктивность, но у меня возникают проблемы с пониманием, почему это не просто увеличит общую индуктивность контура, а уменьшит ее.
wubzorz
Существует несколько формул (упрощенных для хороших приближений при определенных условиях) для расчета следа по плоскости и по плоской индуктивности. Взаимная индуктивность делает свой вклад, но в положительном (хорошо математически отрицательным) образом. Это, как упоминалось ранее, из-за противоположных магнитных полей, которые связаны между собой.
Rev 1.0 1.0
Но в нашем случае, когда у нас есть ток, протекающий в противоположных направлениях в путях отправки / возврата, не должны ли эти соединенные линии поля добавить?
wubzorz
4

Давайте возьмем более упрощенное выражение.

Икс .

Икс

Икс2 ; т.е. половина индуктивности.

Икс2

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:

схематический

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.

Питер Смит
источник
Как можно дать этим отдельным следам индуктивность, если мы не определяем контурную петлю для плотности потока?
wubzorz
Обратный ток @wubzorz устанавливается немедленно, когда сигнал распространяется вниз по трассе. Ток возврата - это ток смещения через диэлектрик печатной платы. Таким образом, сигнал + обратный ток (ток смещения) образуют петлю.
efox29
1

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.

Гари Хендерсон
источник
0

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.

Энди ака
источник
Таким образом, вихревые токи в «более широкой» трассе вносят большее противоположное магнитное поле в область между обоими проводниками? Таким образом, этот более широкий след эффективно перенаправляет БОЛЕЕ линии потока в область между?
wubzorz
"оба проводника"? Вихревые токи создают поток, который противодействует исходному потоку, таким образом, меньший поток на ампер является чистым результатом, а определение индуктивности - поток на ампер. Это так же, как слоения в силовом магнитном компоненте должны быть тонкими, чтобы уменьшить вихревые токи. Подобный эффект заставляет переменный ток переноситься вокруг поверхности проводника, а не в середине.
Энди ака
0

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.

Guill
источник