Layout de rastreamento de PCB para minimizar a indutância

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?

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

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.

Vamos dar um voto mais simplista.

$x$ .

$x$

$\frac x 2$

$\frac x 2$

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:

^{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.

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.

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.

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.