Layout Jejak PCB untuk Meminimalkan Induktansi

Saya bertanya-tanya apa intuisi di balik pelebaran jejak PCB untuk meminimalkan induktansi antara jejak dan bidang dasarnya. Banyak panduan desain kecepatan tinggi mengutip ini tanpa memberikan banyak penjelasan. Bukankah seharusnya daerah loop antara jejak dan bidang tanahnya tetap sama, meskipun jejaknya diperluas?

Mengapa memperluas jejak di atas meminimalkan induktansi? Mengabaikan persyaratan apa pun untuk kemampuan penelusuran saat ini.

Mengapa memperluas jejak di atas meminimalkan induktansi?

Induktansi total adalah fungsi induktansi diri dari jejak (salah satunya adalah pesawat dalam contoh Anda) dan induktansi timbal balik di antara mereka.

Untuk lebih meminimalkan total induktansi, induktansi timbal balik harus dimaksimalkan . Ini karena arus yang mengalir dalam arah yang berlawanan, menghasilkan medan magnet yang berlawanan. Induktansi timbal balik dapat ditingkatkan dengan mengurangi jarak antara jejak (mengurangi daerah loop) dan dengan meningkatkan lebar. Saya percaya ini ada hubungannya dengan bagaimana medan magnet didistribusikan di sekitar jejak, tetapi ini bermuara pada pertanyaan fisika.

Mari kita ambil vew yang lebih sederhana.

$x$

$x$

$\frac x 2$

$\frac x 2$

Ini menunjukkan bahwa pelebaran jejak akan mengurangi induktansi jejak. Seperti dicatat, ini juga akan meningkatkan kapasitansi, tetapi itu bukan pertanyaan.

[Memperbarui]

Untuk melihat mengapa induktansi benar-benar ada, mari kita lihat lebih dekat pada apa yang harus sirkuit untuk setiap arus mengalir:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Asumsikan dalam rangkaian sederhana saya bahwa output Buf1 menjadi tinggi. Energi untuk menggerakkan jejak bersumber dari catu daya, melalui driver ke jejak, dan loop ditutup untuk mengembalikan arus yang sama kembali ke sisi negatif dari catu daya.

Ini adalah kondisi yang diperlukan untuk arus mengalir, yang merupakan kondisi yang diperlukan untuk medan magnet yang ada di sekitar konduktor; sebagai harus ada arus balik , loop memang terbentuk.

Anda mungkin menemukan artikel ini informatif.

Salah satu cara untuk memikirkan pertanyaan ini adalah bahwa arus di jejak atas menghasilkan medan magnet di sekitarnya. Arus di bidang tanah di bawah ini juga akan menghasilkan medan magnet yang akan cenderung membatalkan medan dari jejak atas karena mengalir dalam arah yang berlawanan. Jika kedua arus identik (tetapi berlawanan arah) dan memiliki lokasi fisik yang sama (tidak mungkin), kedua bidang akan membatalkan dengan sempurna dan akan ada nol induktansi. Jika Anda memisahkan kedua arus (dengan ketebalan PCB misalnya), beberapa bidang akan dibatalkan (induktansi timbal balik) tetapi sebagian tidak, yang menyebabkan induktansi sendiri. Sekarang ketika arus mengalir melalui bidang tanah itu akan mengambil jalan perlawanan paling sedikit, atau lebih tepatnya, jalur dengan impedansi terendah sehingga akan mencoba mengalir sedekat mungkin dengan jejak di atas karena ini memiliki induktansi diri terendah (impedansi = resistansi + induktansi secara luas). Itu sebabnya membawa jejak lebih dekat ke pesawat dan mengurangi area loop antara keduanya akan mengurangi induktansi. Namun, dan inilah jawabannya, semua arus di bidang tanah tidak dapat mengalir melalui bagian yang sama dari tembaga karena medan magnet dari satu elektron yang bergerak akan mendorong elektron bergerak lainnya menjauh sehingga arus akan menyebar melintasi bidang tanah . Sama seperti arus dari jejak atas menghasilkan medan magnet yang berinteraksi dengan arus dari bidang tanah, medan dari satu elektron yang bergerak di bidang tanah berinteraksi dengan medan dari bidang lainnya yang mendorong mereka terpisah. Penyebaran arus di bidang tanah ini meningkatkan induktansi diri sehingga dengan meningkatkan lebar jejak atas dua arus dapat lebih dekat saling mencerminkan yang meningkatkan pembatalan lapangan dan mengurangi induktansi diri. Semoga penjelasan ini memberi Anda wawasan tentang fisika yang terlibat.

Setiap bagian konduksi di sekitar medan magnet AC lokal dari arus dalam kawat / konduktor yang terisolasi akan menghasilkan arus eddy dan semakin besar / lebih luas bagian konduksi yang terisolasi adalah semakin besar arus eddy.

Medan magnet juga dapat melipat kembali pada konduktor yang membuatnya dan menghasilkan arus eddy. Arus eddy ini bertindak sebagai belokan korsleting kecil yang didistribusikan dan semakin besar / semakin lebar jalur, semakin besar arus eddy biasanya.

Oleh karena itu untuk trek yang lebih gemuk terdapat lebih banyak arus eddy dan, efek numerik dari ini adalah untuk mengurangi induktansi keseluruhan dari trek / konduktor.

Saya memberikan dua contoh "intuitif" yang sangat sederhana untuk menjawab pertanyaan Anda.

Contoh 1
Dari definisi induktansi, L = -V / (di / dt), orang dapat melihat bahwa:
ketika arus (di) meningkat, induktansi (L) berkurang.
Juga, karena I = V / R, saya meningkat ketika R berkurang.
Juga, karena R = k / A, R berkurang dengan bertambahnya luas penampang (A).
Oleh karena itu, ketika luas penampang (A) meningkat, induktansi (L) berkurang .

Contoh 2
Buat dua jejak terpisah yang identik, dengan luas penampang (A) = 1 mm persegi. Katakanlah masing-masing memiliki 1 mh induktansi. Ketika Anda menghubungkan ujung-ujungnya, itu sama dengan menghubungkan dua induktor secara paralel . Induktansi total dua induktor secara paralel adalah L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Karena L1 = L2, L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Ini menunjukkan bahwa ketika kita menggandakan (meningkatkan) luas penampang (A = 2 sq. Mm), kita memotong (menurunkan) induktansi menjadi setengah.