Layout della traccia PCB per ridurre al minimo l'induttanza

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Mi chiedevo quale fosse l'intuizione dietro all'ampliamento delle tracce PCB per minimizzare l'induttanza tra una traccia e il suo piano di massa. Molte guide alla progettazione ad alta velocità lo citano senza fornire molte spiegazioni. L'area del loop tra una traccia e il suo piano di massa non dovrebbe rimanere la stessa, nonostante una traccia allargata?

Perché l'ampliamento della traccia sopra minimizza l'induttanza? Ignorando eventuali requisiti per la capacità corrente della traccia.

pcb-design inductance

— wubzorz
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L'ampliamento di una traccia non riduce al minimo l'induttanza ma la riduce. Aumenta anche la capacità e quindi altera l'impedenza caratteristica, quindi, fondamentalmente, la tua domanda è collegata ad articoli che riguardano questo. Altrimenti puoi collegarti agli articoli.

— Andy aka

La domanda si riferisce semplicemente al perché ridurre la larghezza del binario nella figura sopra riduce l'induttanza. La mia tesi non è con gli articoli / le guide che promuovono questo consiglio di progettazione, ma piuttosto il fatto che non pubblicano (più di una o due frasi) il motivo fondamentale PERCHÉ l'induttanza è ridotta.

— wubzorz,

Ridurre la larghezza della pista dovrebbe aumentare l'induttanza, non ridurla.

— Andy aka

Mie scuse. "Perché aumentare la larghezza della carreggiata nella figura sopra riduce l'induttanza".

— wubzorz,

Alla fine questa domanda si riduce a guardare la fisica, è solo un fatto fisico. Tuttavia, ridurre l'area del loop ha un impatto molto maggiore sull'induttanza del loop totale rispetto all'aumento della larghezza.

— Rev.1.0

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Perché l'ampliamento della traccia sopra minimizza l'induttanza?

L'induttanza totale è una funzione delle autoinduttanze delle tracce (una delle quali è un piano nel tuo esempio) e dell'induttanza reciproca tra loro.

Per minimizzare ulteriormente l'induttanza totale, l'induttanza reciproca dovrebbe essere massimizzata . Ciò è dovuto alla corrente che scorre in direzioni opposte, causando campi magnetici opposti. L'induttanza reciproca può essere aumentata diminuendo la distanza tra le tracce (riducendo l'area del circuito) e aumentando la larghezza. Credo che ciò abbia a che fare con il modo in cui il campo magnetico è distribuito attorno alla traccia, ma questo si riduce a una domanda di fisica.

— Rev1.0
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Questi campi magnetici "opposti" riducono la densità del flusso magnetico tra la traccia e il piano? Quindi il campo comune a cui hanno contribuito entrambi i conduttori si è effettivamente opposto e ha ridotto il flusso in quella zona? Posso capire perché la distanza tra i due conduttori ridurrebbe l'induttanza, tuttavia come allargare la larghezza del dire ... la traccia da sola la abbasserebbe? L'unico modo in cui posso capire perché è dovuto alle correnti parassite nel conduttore "più ampio" che contribuiscono a un flusso più "opposto" all'area tra i due conduttori.

— wubzorz,

"Posso capire perché la distanza tra i due conduttori ridurrebbe l'induttanza" - Ciò riduce le autoinduttanze L1 (traccia) e L2 (piano). "come allargare la larghezza di dire ... la traccia da sola la abbasserebbe?" - L'aumento della larghezza aumenta l' induttanza reciproca che viene sottratta essenzialmente dalla somma delle autoinduttanze per ottenere l' induttanza del circuito .

— Rev.1.0

Come definiamo l'autoinduttanza di un filo puramente dritto? La somma delle autoinduttanze non dovrebbe essere minore rispetto alla reciproca induttanza? Vedo ora che la traccia più ampia aumenta l'induttanza reciproca, ma ho difficoltà a capire perché ciò non contribuirebbe solo all'induttanza ad anello globale piuttosto che ridurla.

— wubzorz,

Esistono diverse formule (semplificate per buone approssimazioni in determinate condizioni) per calcolare la traccia sul piano e l'induttanza del piano. Induttanza mutua fa contribuire, ma in senso positivo (bene matematicamente negativo). Ciò è, come detto prima, a causa dei campi magnetici opposti che sono accoppiati.

— Rev.1.0

Ma nel nostro caso, dove abbiamo corrente che scorre in direzioni opposte nei percorsi di invio / ritorno, queste linee di campo accoppiate non dovrebbero aggiungere?

— wubzorz,

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Diamo una visione più semplicistica.

$x$

$\frac x 2$

Ciò dimostra che l'ampliamento di una traccia ridurrà l'induttanza della traccia. Come notato, aumenterà anche la capacità, ma non è questo il problema.

[Aggiornare]

Per capire perché esiste davvero l'induttanza, diamo un'occhiata più da vicino a ciò che deve essere il circuito affinché ogni corrente scorra:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Supponiamo nel mio circuito semplicistico che l'output di Buf1 aumenti. L'energia per guidare la traccia proviene dall'alimentatore, attraverso il driver sulla traccia, e il circuito viene chiuso per riportare la stessa corrente sul lato negativo dell'alimentatore.

Questa è una condizione richiesta per il flusso di corrente, che è la condizione richiesta per un campo magnetico attorno ad un conduttore; poiché deve esserci una corrente di ritorno , si forma effettivamente un anello.

Puoi trovare questo articolo informativo.

— Peter Smith
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Come è possibile dare un'induttanza a quelle singole tracce quando non definiamo un circuito per la densità del flusso?

— wubzorz,

La corrente di ritorno di @wubzorz viene stabilita immediatamente quando un segnale propaga lungo una traccia. La corrente di ritorno è la corrente di spostamento attraverso il dielettrico del PCB. Quindi segnale + corrente di ritorno (corrente di spostamento) formano un loop.

— efox29,

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Un modo di pensare a questa domanda è che la corrente nella traccia superiore produce un campo magnetico attorno ad essa. La corrente nel piano di terra sottostante produrrà anche un campo magnetico che tenderà a cancellare il campo dalla traccia superiore mentre scorre nella direzione opposta. Se le due correnti sono identiche (ma in direzione opposta) e hanno la stessa posizione fisica (impossibile), i due campi si annullerebbero perfettamente e l'induttanza sarebbe zero. Se si separano le due correnti (ad esempio dallo spessore del PCB) parte del campo verrà annullata (induttanza reciproca) ma altre no, il che è ciò che causa l'autoinduttanza. Ora, quando la corrente fluisce attraverso il piano terra, prenderà il percorso di minor resistenza, o più precisamente, il percorso di minima impedenza in modo che proverà a fluire il più vicino possibile alla traccia sopra poiché questo ha l'autoinduttanza più bassa (impedenza = resistenza + induttanza in senso lato). Ecco perché avvicinare la traccia al piano e ridurre l'area del loop tra i due ridurrà l'induttanza. Tuttavia, ed ecco la risposta, tutta la corrente nel piano di massa non può fluire attraverso lo stesso pezzo di rame del campo magnetico di un elettrone in movimento spingerà via gli altri elettroni in movimento in modo che la corrente si diffonda sul piano di terra . Proprio come la corrente dalla traccia superiore produce un campo magnetico che interagisce con la corrente dal piano terra, il campo di un elettrone in movimento nel piano terra interagisce con il campo da un altro spingendoli a parte. Questa diffusione della corrente nel piano di massa aumenta l'autoinduttanza, quindi aumentando la larghezza della traccia superiore le due correnti possono rispecchiarsi più da vicino, aumentando la cancellazione del campo e riducendo l'autoinduttanza. Spero che questa spiegazione ti dia un'idea della fisica coinvolta.

— Gary Henderson
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Qualsiasi parte conduttiva in prossimità di un campo magnetico CA locale dalla corrente in un filo / conduttore isolato genererà correnti parassite e maggiore è la larghezza della parte conduttiva isolata, maggiore sarà la corrente parassita.

I campi magnetici possono anche ripiegare sui conduttori che li creano e produrre correnti parassite. Queste correnti parassite agiscono come minuscole curve in cortocircuito distribuite e maggiore è la larghezza della traccia, maggiore è la corrente parassita di solito.

Quindi per tracce più grasse ci sono più correnti parassite e, l'effetto numerico di ciò è di ridurre l'induttanza complessiva della traccia / conduttore.

— Andy aka
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Quindi le correnti parassite nella traccia "più ampia" contribuiscono a un campo magnetico opposto maggiore all'area tra entrambi i conduttori? Quindi questa traccia più ampia reindirizza efficacemente PIÙ linee di flusso nell'area tra?

— wubzorz,

"entrambi i conduttori"? Le correnti parassite producono un flusso che si oppone al flusso originario, quindi meno flusso per amp è il risultato netto e la definizione di induttanza è flusso per amp. È lo stesso che le laminazioni in un componente magnetico di potenza devono essere sottili in modo da ridurre le correnti parassite. Un effetto simile fa sì che la corrente alternata venga trasportata intorno alla superficie di un conduttore anziché al centro.

— Andy aka

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Sto fornendo due esempi "intuitivi" molto semplici per rispondere alla tua domanda.

Esempio 1
Dalla definizione di induttanza, L = -V / (di / dt), si può vedere che:
all'aumentare della corrente (di), l'induttanza (L) diminuisce.
Inoltre, poiché I = V / R, I aumenta quando R diminuisce.
Inoltre, poiché R = k / A, R diminuisce all'aumentare dell'area della sezione trasversale (A).
Pertanto, all'aumentare dell'area della sezione trasversale (A), l'induttanza (L) diminuisce .

Esempio 2
Creare due tracce identiche separate, con area della sezione trasversale (A) = 1 mmq. Diciamo che ognuno ha 1 mh di induttanza. Quando si collegano le estremità, è equivalente al cablaggio di due induttori in parallelo . L'induttanza totale di due induttori in parallelo è L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Poiché L1 = L2, L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Ciò dimostra che quando raddoppiamo (aumentiamo) l'area della sezione trasversale (A = 2 mm2), tagliamo (diminuiamo) l'induttanza a metà.

— Guill
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