Layout de rastreamento de PCB para minimizar a indutância

13

Fiquei me perguntando qual seria a intuição por trás do aumento dos traços de PCB para minimizar a indutância entre um traço e seu plano de terra. Muitos guias de design de alta velocidade citam isso sem fornecer muita explicação. A área do loop entre um traço e seu plano de terra não deve permanecer a mesma, apesar de um traço mais amplo?

insira a descrição da imagem aqui

Por que a ampliação do traço acima minimiza a indutância? Ignorando quaisquer requisitos para a capacidade atual do rastreio.

wubzorz
fonte
Ampliar um traço não minimiza a indutância, mas a reduz. Também aumenta a capacitância e, portanto, altera a impedância característica. Portanto, fundamentalmente, sua pergunta está relacionada aos artigos que tratam disso. Caso contrário, você pode vincular ao (s) artigo (s).
Andy aka
A questão simplesmente se relaciona a por que reduzir a largura da faixa na ilustração acima reduz a indutância. Meu argumento não é com os artigos / guias que promovem essa dica de design, mas com o fato de que eles não publicam (mais de uma ou duas frases) a razão fundamental POR QUE a indutância é reduzida.
Wubzorz 14/04
Reduzir a largura da trilha deve aumentar a indutância e não reduzi-la.
Andy aka
Me desculpe. "Por que o aumento da largura da faixa na ilustração acima reduz a indutância".
wubzorz
No final, essa questão se resume a olhar para a física, é apenas um fato físico. No entanto, reduzir a área do loop tem um impacto muito maior na indutância total do loop do que aumentar a largura.
precisa saber é o seguinte

Respostas:

3

Por que a ampliação do traço acima minimiza a indutância?

A indutância total é uma função das auto-indutâncias dos traços (um deles sendo um plano no seu exemplo) e a indutância mútua entre eles.

Para minimizar ainda mais a indutância total, a indutância mútua deve ser maximizada . Isso ocorre devido à corrente que flui em direções opostas, resultando em campos magnéticos opostos. A indutância mútua pode ser aumentada diminuindo a distância entre os traços (reduzindo a área do loop) e aumentando a largura. Acredito que isso tenha a ver com a distribuição do campo magnético ao redor do traço, mas isso se resume a uma questão de física.

Rev1.0
fonte
Esses campos magnéticos "opostos" reduzem a densidade do fluxo magnético entre o traço e o plano? Então, o campo mútuo contribuído pelos dois condutores efetivamente se opõe e reduz o fluxo nessa área? Eu posso entender por que a distância entre os dois condutores reduziria a indutância, no entanto, como ampliar a largura do digamos ... o traço por si só o diminuiria? A única maneira de entender por que é devido a correntes de Foucault no condutor "mais amplo" contribuindo com um fluxo mais "oposto" à área entre os dois condutores.
Wubzorz 14/04
"Entendo por que a distância entre os dois condutores reduziria a indutância" - Isso reduz as auto-indutâncias L1 (traço) e L2 (plano). "como ampliar a largura da palavra ... o traço por si só a diminuiria?" - Aumentar a largura aumenta a indutância mútua, que é essencialmente subtraída da soma das auto-indutâncias para obter a indutância do loop .
precisa saber é o seguinte
Como definimos a auto-indutância de um fio puramente reto? O somatório das auto-indutâncias não deveria ser menor comparado com a indutância mútua? Vejo agora que o rastreamento mais amplo aumenta a indutância mútua, mas estou tendo problemas para entender por que isso não apenas contribui para a indutância geral do loop, mas para reduzi-la.
precisa saber é o seguinte
Existem várias fórmulas (simplificadas para boas aproximações sob certas condições) para calcular traços sobre o plano e a indutância do plano. Indutância mútua faz contribuir, mas de uma forma positiva (bem matematicamente negativo). Isto é, como mencionado anteriormente, por causa dos campos magnéticos opostos que são acoplados.
precisa saber é o seguinte
Mas, no nosso caso, onde temos corrente fluindo em direções opostas nos caminhos de envio / retorno, essas linhas de campo acopladas não deveriam adicionar?
Wbzorz
4

Vamos dar um voto mais simplista.

x .

x

x2

x2

Isso mostra que a ampliação de um rastreamento reduzirá a indutância do rastreamento. Como observado, também aumentará a capacitância, mas essa não é a questão.

[Atualizar]

Para ver por que a indutância realmente existe, vamos dar uma olhada no que o circuito deve ser para que qualquer corrente flua:

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Suponha no meu circuito simplista que a saída do Buf1 seja alta. A energia para acionar o rastreamento é proveniente da fonte de alimentação, através do driver para o rastreamento, e o loop é fechado para retornar a mesma corrente de volta ao lado negativo da fonte de alimentação.

Essa é uma condição necessária para a corrente fluir, que é a condição necessária para a existência de um campo magnético ao redor de um condutor; como deve haver uma corrente de retorno , um loop é realmente formado.

Você pode encontrar este artigo informativo.

Peter Smith
fonte
Como esses traços individuais podem ter uma indutância quando não definimos um loop de circuito para densidade de fluxo?
precisa saber é o seguinte
A corrente de retorno @wubzorz é estabelecida imediatamente quando um sinal propaga um traço. A corrente de retorno é a corrente de deslocamento através do dielétrico da placa de circuito impresso. Portanto, sinal + corrente de retorno (corrente de deslocamento) formam um loop.
precisa saber é o seguinte
1

Uma maneira de pensar sobre essa questão é que a corrente no traço superior produz um campo magnético ao seu redor. A corrente no plano de terra abaixo também produzirá um campo magnético que tenderá a cancelar o campo do traço superior, pois está fluindo na direção oposta. Se as duas correntes forem idênticas (mas na direção oposta) e tiverem a mesma localização física (impossível), os dois campos serão cancelados perfeitamente e haverá indutância zero. Se você separar as duas correntes (pela espessura da placa de circuito impresso, por exemplo), parte do campo será cancelada (indutância mútua), mas outras não, o que causa a auto-indutância. Agora, quando a corrente fluir através do plano de terra, ela seguirá o caminho de menor resistência ou com mais precisão, o caminho de menor impedância, para que ele tente fluir o mais próximo possível do traço acima, pois essa possui a auto-indutância mais baixa (impedância = resistência + indutância em geral). É por isso que aproximar o traço do avião e reduzir a área do loop entre os dois reduzirão a indutância. No entanto, e aqui está a resposta, toda a corrente no plano terrestre não pode fluir através da mesma peça de cobre, pois o campo magnético de um elétron em movimento empurrará os outros elétrons em movimento para que a corrente se espalhe pelo plano terrestre . Assim como a corrente do traço superior produz um campo magnético que interage com a corrente do plano do solo, o campo de um elétron em movimento no plano do solo interage com o campo de outro, afastando-os. Essa propagação da corrente no plano de terra aumenta a auto-indutância, aumentando a largura do traço superior e as duas correntes podem se espelhar mais de perto, o que aumenta o cancelamento do campo e reduz a auto-indutância. Espero que esta explicação lhe dê algumas dicas sobre a física envolvida.

Gary Henderson
fonte
0

Quaisquer peças condutoras nas proximidades de um campo magnético CA local a partir da corrente em um fio / condutor isolado geram correntes de Foucault e quanto maior / maior a parte condutora isolada, maiores serão as correntes de Foucault.

Os campos magnéticos também podem se dobrar nos condutores que os criam e produzem correntes de Foucault. Essas correntes de Foucault atuam como pequenas curvas distribuídas em curto e quanto maior / mais larga a pista, maior a corrente de Foucault.

Portanto, para faixas mais grossas, existem mais correntes de Foucault, e o efeito numérico disso é reduzir a indutância geral da faixa / condutor.

Andy aka
fonte
Então as correntes de Foucault no traço "mais amplo" contribuem com um campo magnético oposto maior para a área entre os dois condutores? Portanto, esse rastreamento mais amplo está efetivamente redirecionando MAIS linhas de fluxo na área entre?
Wubzorz 14/04
"ambos os condutores"? As correntes de Foucault produzem um fluxo que se opõe ao fluxo de origem, portanto, menos fluxo por amp é o resultado líquido e a definição de indutância é fluxo por amp. É o mesmo que as laminações em um componente magnético de potência precisam ser finas para reduzir as correntes de Foucault. Um efeito semelhante faz com que a corrente CA seja transportada pela superfície de um condutor e não pelo meio.
Andy aka
0

Estou fornecendo dois exemplos "intuitivos" muito simples para responder sua pergunta.

Exemplo 1
A partir da definição de indutância, L = -V / (di / dt), pode-se ver que:
conforme a corrente (di) aumenta, a indutância (L) diminui.
Além disso, como I = V / R, eu aumenta à medida que R diminui.
Além disso, como R = k / A, R diminui à medida que a área da seção transversal (A) aumenta.
Portanto, à medida que a área da seção transversal (A) aumenta, a indutância (L) diminui .

Exemplo 2
Faça dois traços separados idênticos, com área de seção transversal (A) = 1 mm². Digamos que cada um tenha 1 mh de indutância. Quando você conecta as extremidades, é equivalente a conectar dois indutores em paralelo . A indutância total de dois indutores em paralelo é L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Como L1 = L2, L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Isso mostra que quando dobramos (aumentamos) a área da seção transversal (A = 2 mm²), cortamos (diminuímos) a indutância pela metade.

Guill
fonte