Diseño de trazado de PCB para minimizar la inductancia

Me preguntaba cuál era la intuición detrás de ampliar las trazas de PCB para minimizar la inductancia entre una traza y su plano de tierra. Muchas guías de diseño de alta velocidad citan esto sin proporcionar mucha explicación. ¿No debería permanecer el mismo área de bucle entre un trazado y su plano de tierra, a pesar de un trazado ampliado?

¿Por qué ampliar la traza anterior minimiza la inductancia? Ignorando cualquier requisito para la capacidad actual de la traza.

¿Por qué ampliar la traza anterior minimiza la inductancia?

La inductancia total es una función de las autoinductancias de las trazas (una de ellas es un plano en su ejemplo) y la inductancia mutua entre ellas.

Para minimizar aún más la inductancia total, se debe maximizar la inductancia mutua . Esto se debe a que la corriente fluye en direcciones opuestas, lo que resulta en campos magnéticos opuestos. La inductancia mutua se puede aumentar disminuyendo la distancia entre las trazas (reduciendo el área del bucle) y aumentando el ancho. Creo que esto tiene que ver con cómo se distribuye el campo magnético alrededor de la traza, pero esto se reduce a una cuestión de física.

Echemos un vistazo más simplista.

$x$

$x$

Ahora tiene una inductancia total de $\frac x 2$ ; es decir, la mitad de la inductancia.

Ahora fusionar las huellas; todavía tienes una inductancia de$\frac x 2$

Esto muestra que ampliar una traza reducirá la inductancia de la traza. Como se señaló, también aumentará la capacitancia, pero esa no es la cuestión.

[Actualizar]

Para ver por qué existe inductancia, echemos un vistazo más de cerca a lo que debe ser el circuito para que fluya cualquier corriente:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Suponga en mi circuito simplista que la salida de Buf1 es alta. La energía para conducir la traza se obtiene de la fuente de alimentación, a través del controlador hacia la traza, y el circuito se cierra para devolver la misma corriente al lado negativo de la fuente de alimentación.

Esta es una condición requerida para que la corriente fluya, que es la condición requerida para que exista un campo magnético alrededor de un conductor; Como debe haber una corriente de retorno , se forma un bucle.

Puede encontrar este artículo informativo.

Una forma de pensar sobre esta pregunta es que la corriente en el trazo superior produce un campo magnético a su alrededor. La corriente en el plano de tierra a continuación también producirá un campo magnético que tenderá a cancelar el campo desde la traza superior a medida que fluye en la dirección opuesta. Si las dos corrientes son idénticas (pero en dirección opuesta) y tienen la misma ubicación física (imposible), los dos campos se cancelarían perfectamente y habría cero inductancia. Si separa las dos corrientes (por el grosor de la PCB, por ejemplo), parte del campo se cancelará (inductancia mutua) pero otras no, que es lo que causa la autoinducción. Ahora, cuando la corriente fluye a través del plano de tierra, tomará el camino de menor resistencia, o más exactamente, el camino de menor impedancia, por lo que intentará fluir lo más cerca posible de la traza anterior, ya que tiene la autoinductancia más baja (impedancia = resistencia + inductancia en general). Es por eso que acercar la traza al plano y reducir el área del bucle entre los dos reducirá la inductancia. Sin embargo, y aquí está la respuesta, toda la corriente en el plano de tierra no puede fluir a través de la misma pieza de cobre ya que el campo magnético de un electrón en movimiento alejará a los otros electrones en movimiento, de modo que la corriente se extenderá a través del plano de tierra. . Así como la corriente del trazo superior produce un campo magnético que interactúa con la corriente del plano de tierra, el campo de un electrón en movimiento en el plano de tierra interactúa con el campo de otro separándolos. Esta propagación de la corriente en el plano de tierra aumenta la auto inductancia, por lo que al aumentar el ancho de la traza superior, las dos corrientes pueden reflejarse más estrechamente, lo que aumenta la cancelación del campo y reduce la auto inductancia. Espero que esta explicación te dé una idea de la física involucrada.

Cualquier parte conductora en la vecindad de un campo magnético local de CA de la corriente en un cable / conductor aislado generará corrientes parásitas y cuanto mayor / más ancha sea la parte conductora aislada, mayores serán las corrientes parásitas.

Los campos magnéticos también pueden plegarse sobre los conductores que los crean y producen corrientes de Foucault. Estas corrientes parásitas actúan como pequeñas curvas distribuidas en corto y cuanto más grande / más ancha sea la pista, mayor será la corriente parásita.

Por lo tanto, para pistas más gruesas hay más corrientes parásitas y el efecto numérico de esto es reducir la inductancia general de la pista / conductor.

Proporciono dos ejemplos "intuitivos" muy simples para responder a su pregunta.

Ejemplo 1
De la definición de inductancia, L = -V / (di / dt), se puede ver que: a
medida que la corriente (di) aumenta, la inductancia (L) disminuye.
Además, como I = V / R, I aumenta a medida que R disminuye.
Además, dado que R = k / A, R disminuye a medida que aumenta el área de la sección transversal (A).
Por lo tanto, a medida que aumenta el área de la sección transversal (A), la inductancia (L) disminuye .

Ejemplo 2
Haga dos trazas separadas idénticas, con un área de sección transversal (A) = 1 mm cuadrado. Digamos que cada uno tiene 1 mh de inductancia. Cuando conecta los extremos, es equivalente a cablear dos inductores en paralelo . La inductancia total de dos inductores en paralelo es L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Como L1 = L2, L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Esto muestra que cuando duplicamos (aumentamos) el área de la sección transversal (A = 2 mm2), cortamos (disminuimos) la inductancia a la mitad.