Bố cục theo dõi PCB để giảm thiểu độ tự cảm

Tôi đã tự hỏi những gì trực giác đằng sau việc mở rộng dấu vết PCB để giảm thiểu độ tự cảm giữa một dấu vết và mặt phẳng mặt đất của nó. Nhiều hướng dẫn thiết kế tốc độ cao trích dẫn điều này mà không cung cấp nhiều lời giải thích. Không phải khu vực vòng lặp giữa một dấu vết và mặt phẳng mặt đất của nó vẫn giữ nguyên, mặc dù một dấu vết mở rộng?

Tại sao mở rộng dấu vết trên giảm thiểu độ tự cảm? Bỏ qua bất kỳ yêu cầu cho khả năng hiện tại của dấu vết.

Tại sao mở rộng dấu vết trên giảm thiểu độ tự cảm?

Tổng độ tự cảm là một hàm của độ tự cảm của dấu vết (một trong số chúng là mặt phẳng trong ví dụ của bạn) và độ tự cảm lẫn nhau giữa chúng.

Để tiếp tục giảm thiểu tổng độ tự cảm, độ tự cảm lẫn nhau nên được tối đa hóa . Điều này là do dòng điện chạy ngược chiều nhau, dẫn đến từ trường đối lập. Độ tự cảm lẫn nhau có thể được tăng lên bằng cách giảm khoảng cách giữa các dấu vết (giảm diện tích vòng lặp) và bằng cách tăng chiều rộng. Tôi tin rằng điều này có liên quan đến cách thức từ trường được phân phối xung quanh dấu vết, nhưng điều này dẫn đến một câu hỏi vật lý.

Chúng ta hãy làm một vew đơn giản hơn.

$x$

$x$

$\frac x 2$

$\frac x 2$

Điều này cho thấy việc mở rộng một dấu vết sẽ làm giảm độ tự cảm của dấu vết. Như đã lưu ý, nó cũng sẽ tăng điện dung, nhưng đó không phải là câu hỏi.

[Cập nhật]

Để xem tại sao điện cảm thực sự tồn tại, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn những gì mạch phải cho dòng điện chạy qua:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Giả sử trong mạch đơn giản của tôi rằng đầu ra của Buf1 tăng cao. Năng lượng để điều khiển dấu vết được lấy từ nguồn cung cấp năng lượng, thông qua trình điều khiển vào dấu vết và vòng lặp được đóng lại để đưa dòng điện trở lại cùng phía về phía tiêu cực của nguồn điện.

Đây là điều kiện bắt buộc để dòng điện chạy qua, đây là điều kiện bắt buộc để từ trường tồn tại xung quanh một dây dẫn; vì phải có dòng trở về , một vòng lặp thực sự được hình thành.

Bạn có thể tìm thấy bài viết này thông tin.

Một cách để suy nghĩ về câu hỏi này là dòng điện trong dấu vết trên cùng tạo ra từ trường xung quanh nó. Dòng điện trong mặt phẳng mặt đất bên dưới cũng sẽ tạo ra một từ trường sẽ có xu hướng hủy bỏ trường từ vết trên cùng khi nó chảy theo hướng ngược lại. Nếu hai dòng điện giống hệt nhau (nhưng ngược chiều) và có cùng vị trí vật lý (không thể) thì hai trường sẽ hủy hoàn toàn và sẽ có độ tự cảm bằng không. Nếu bạn di chuyển hai dòng điện cách nhau (ví dụ như độ dày của PCB), một số trường sẽ bị hủy (độ tự cảm lẫn nhau) nhưng một số thì không, đó là nguyên nhân gây ra tự cảm. Bây giờ khi dòng điện chạy qua mặt phẳng mặt đất, nó sẽ đi theo con đường ít kháng cự nhất, hay chính xác hơn là đường đi của trở kháng nhỏ nhất vì vậy nó sẽ cố gắng chảy càng gần dấu vết ở trên càng tốt vì điều này có độ tự cảm thấp nhất (trở kháng = điện trở + độ tự cảm rộng). Đó là lý do tại sao việc mang dấu vết đến gần mặt phẳng hơn và giảm diện tích vòng lặp giữa hai người sẽ làm giảm độ tự cảm. Tuy nhiên, và đây là câu trả lời, tất cả dòng điện trong mặt phẳng mặt đất không thể chạy qua cùng một miếng đồng vì từ trường từ một electron chuyển động sẽ đẩy các electron chuyển động khác đi để dòng điện sẽ lan ra khắp mặt phẳng mặt đất . Giống như dòng điện từ vết trên cùng tạo ra từ trường tương tác với dòng điện từ mặt phẳng mặt đất, trường từ một electron chuyển động trong mặt phẳng mặt đất tương tác với từ trường khác đẩy chúng ra xa nhau. Sự lan truyền dòng điện trong mặt phẳng mặt đất này làm tăng độ tự cảm vì vậy bằng cách tăng chiều rộng của vết trên, hai dòng điện có thể phản chiếu gần nhau hơn làm tăng sự hủy trường và giảm độ tự cảm. Hy vọng lời giải thích này cung cấp cho bạn một cái nhìn sâu sắc về vật lý liên quan.

Bất kỳ bộ phận dẫn điện nào trong vùng lân cận của từ trường AC cục bộ từ dòng điện trong một dây dẫn / dây dẫn bị cô lập sẽ tạo ra dòng điện xoáy và phần dẫn điện bị cô lập càng lớn / rộng thì dòng điện xoáy sẽ càng lớn.

Từ trường cũng có thể gập lại trên các dây dẫn tạo ra chúng và tạo ra dòng điện xoáy. Các dòng điện xoáy này hoạt động như các vòng ngắn được phân phối nhỏ và theo dõi càng lớn / rộng thì dòng xoáy thường càng lớn.

Do đó đối với các bản nhạc béo hơn có nhiều dòng điện xoáy hơn và, hiệu ứng số của việc này là để giảm độ tự cảm tổng thể của bản nhạc / dây dẫn.

Tôi đang cung cấp hai ví dụ "trực quan" rất đơn giản để trả lời câu hỏi của bạn.

Ví dụ 1
Từ định nghĩa của độ tự cảm, L = -V / (di / dt), người ta có thể thấy rằng:
khi dòng điện (di) tăng, độ tự cảm (L) giảm.
Ngoài ra, vì I = V / R, tôi tăng khi R giảm.
Ngoài ra, vì R = k / A, R giảm khi diện tích mặt cắt ngang (A) tăng.
Do đó, khi diện tích mặt cắt ngang (A) tăng, độ tự cảm (L) giảm .

Ví dụ 2
Tạo hai dấu vết riêng biệt giống hệt nhau, với diện tích mặt cắt ngang (A) = 1 sq. Mm. Hãy nói rằng mỗi có 1 mh điện cảm. Khi bạn kết nối các đầu, nó tương đương với việc nối song song hai cuộn cảm . Tổng độ tự cảm của hai cuộn cảm song song là L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Vì L1 = L2, L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Điều này cho thấy rằng khi chúng ta tăng gấp đôi (tăng) diện tích mặt cắt ngang (A = 2 sq. Mm), chúng ta sẽ cắt (giảm) độ tự cảm xuống một nửa.