Leiterplattenlayout zur Minimierung der Induktivität

Ich habe mich gefragt, was die Intuition dahinter steckt, Leiterplatten-Leiterbahnen zu verbreitern, um die Induktivität zwischen einer Leiterbahn und ihrer Masseebene zu minimieren. Viele High-Speed-Design-Anleitungen zitieren dies, ohne eine ausführliche Erklärung zu liefern. Sollte die Schleifenfläche zwischen einer Spur und ihrer Grundfläche trotz einer verbreiterten Spur nicht gleich bleiben?

Warum minimiert eine Verbreiterung der obigen Spur die Induktivität? Ignoriert alle Anforderungen für die aktuelle Fähigkeit des Trace.

Warum minimiert eine Verbreiterung der obigen Spur die Induktivität?

Die Gesamtinduktivität ist eine Funktion der Selbstinduktivitäten der Leiterbahnen (eine davon ist in Ihrem Beispiel eine Ebene) und der gegenseitigen Induktivität zwischen ihnen.

Um die Gesamtinduktivität weiter zu minimieren, sollte die Gegeninduktivität maximiert werden . Dies ist auf den in entgegengesetzte Richtungen fließenden Strom zurückzuführen, der zu entgegengesetzten Magnetfeldern führt. Die gegenseitige Induktivität kann durch Verringern des Abstands zwischen den Leiterbahnen (Verringern der Schleifenfläche) und Vergrößern der Breite erhöht werden. Ich glaube, das hat damit zu tun, wie sich das Magnetfeld um die Spur verteilt, aber das hängt mit einer physikalischen Frage zusammen.

Nehmen wir eine vereinfachte Sichtweise.

$x$

$x$

$\frac x 2$

$\frac x 2$

Dies zeigt, dass das Verbreitern einer Spur die Induktivität der Spur verringert. Wie bereits erwähnt, erhöht es auch die Kapazität, aber das ist nicht die Frage.

[Aktualisieren]

Um zu sehen, warum es tatsächlich eine Induktivität gibt, schauen wir uns genauer an, wie der Stromkreis beschaffen sein muss, damit ein Strom fließt:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Nehmen wir in meiner vereinfachenden Schaltung an, dass der Ausgang von Buf1 hoch geht. Die Energie zum Ansteuern der Leiterbahn wird von der Stromversorgung über den Treiber auf die Leiterbahn übertragen, und die Schleife wird geschlossen, um denselben Strom zurück zur negativen Seite der Stromversorgung zu leiten.

Dies ist eine erforderliche Bedingung für den Stromfluss. Dies ist die erforderliche Bedingung, damit ein Magnetfeld um einen Leiter vorhanden ist. so muss es ein Rückstrom sein , in der Tat wird eine Schleife gebildet.

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Eine Möglichkeit, über diese Frage nachzudenken, besteht darin, dass der Strom in der oberen Spur ein Magnetfeld um sie herum erzeugt. Der Strom in der Masseebene unten erzeugt auch ein Magnetfeld, das dazu neigt, das Feld von der oberen Spur zu löschen, wenn es in die entgegengesetzte Richtung fließt. Wenn die zwei Ströme identisch sind (aber entgegengesetzte Richtung) und denselben physikalischen Ort haben (unmöglich), würden sich die zwei Felder perfekt aufheben und es würde eine Induktivität von Null geben. Wenn Sie die beiden Ströme auseinander bewegen (z. B. durch die Dicke der Leiterplatte), wird ein Teil des Feldes gelöscht (gegenseitige Induktivität), ein anderer Teil jedoch nicht. Dies ist der Grund für die Selbstinduktivität. Wenn nun der Strom durch die Masseebene fließt, nimmt er den Weg des geringsten Widerstands oder genauer der Pfad mit der geringsten Impedanz, damit versucht wird, so nahe wie möglich an der obigen Spur zu fließen, da diese die niedrigste Eigeninduktivität aufweist (Impedanz = Widerstand + Induktivität im Allgemeinen). Deshalb wird die Induktivität verringert, wenn die Leiterbahn näher an die Ebene gebracht und die Schleifenfläche zwischen beiden verringert wird. Und hier ist die Antwort: Der gesamte Strom in der Erdungsebene kann nicht durch dasselbe Kupferstück fließen, da das Magnetfeld eines sich bewegenden Elektrons die anderen sich bewegenden Elektronen wegdrückt, sodass sich der Strom über die Erdungsebene ausbreitet . So wie der Strom von der oberen Spur ein Magnetfeld erzeugt, das mit dem Strom von der Grundebene interagiert, interagiert das Feld von einem sich bewegenden Elektron in der Grundebene mit dem Feld von einem anderen, indem es sie auseinander drückt. Diese Aufspreizung des Stroms in der Masseebene erhöht die Selbstinduktivität, so dass sich die beiden Ströme durch Vergrößern der Breite der oberen Spur enger spiegeln können, was die Feldauslöschung erhöht und die Selbstinduktivität verringert. Ich hoffe, diese Erklärung gibt Ihnen einen Einblick in die Physik.

Alle leitenden Teile in der Nähe eines lokalen Wechselstrommagnetfelds erzeugen aufgrund des Stroms in einem isolierten Draht / Leiter Wirbelströme. Je größer / breiter der isolierte leitende Teil ist, desto größer sind die Wirbelströme.

Magnetfelder können sich auch auf den Leitern zurückfalten, die sie erzeugen und Wirbelströme erzeugen. Diese Wirbelströme wirken als winzige verteilte Kurzschlusswindungen und je größer / breiter die Spur, desto größer ist normalerweise der Wirbelstrom.

Daher gibt es für dickere Spuren mehr Wirbelströme und der numerische Effekt davon besteht darin, die Gesamtinduktivität der Spur / des Leiters zu verringern.

Ich biete zwei sehr einfache "intuitive" Beispiele, um Ihre Frage zu beantworten.

Beispiel 1
Aus der Definition der Induktivität L = -V / (di / dt) geht hervor, dass mit
zunehmendem Strom (di) die Induktivität (L) abnimmt.
Da I ​​= V / R ist, nimmt auch I zu, wenn R abnimmt.
Da R = k / A ist, nimmt auch R mit zunehmender Querschnittsfläche (A) ab.
Mit zunehmender Querschnittsfläche (A) nimmt daher die Induktivität (L) ab .

Beispiel 2
Zwei identische getrennte Bahnen mit einer Querschnittsfläche (A) von 1 mm² herstellen. Nehmen wir an, jeder hat eine Induktivität von 1 mh. Wenn Sie die Enden verbinden, entspricht dies der Parallelschaltung von zwei Induktivitäten . Die Gesamtinduktivität von zwei parallelen Induktivitäten beträgt L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Da L1 = L2 ist, ist L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Dies zeigt, dass wir die Induktivität halbieren (verringern) , wenn wir die Querschnittsfläche verdoppeln (vergrößern) (A = 2 mm²) .