Disposition des traces de PCB pour minimiser l'inductance

Je me demandais quelle était l'intuition derrière l'élargissement des traces de PCB pour minimiser l'inductance entre une trace et son plan de masse. De nombreux guides de conception à grande vitesse citent cela sans fournir beaucoup d'explications. La zone de boucle entre une trace et son plan de masse ne doit-elle pas rester la même, malgré une trace élargie?

Pourquoi l'élargissement de la trace ci-dessus minimise-t-il l'inductance? Ignorer les exigences de capacité actuelle de la trace.

Pourquoi l'élargissement de la trace ci-dessus minimise-t-il l'inductance?

L'inductance totale est fonction des auto-inductances des traces (l'une d'elles étant un plan dans votre exemple) et de l'inductance mutuelle entre elles.

Pour minimiser davantage l'inductance totale, l'inductance mutuelle doit être maximisée . Cela est dû au courant circulant dans des directions opposées, entraînant des champs magnétiques opposés. L'inductance mutuelle peut être augmentée en diminuant la distance entre les traces (en réduisant la zone de boucle) et en augmentant la largeur. Je crois que cela a à voir avec la façon dont le champ magnétique est distribué autour de la trace, mais cela se résume à une question de physique.

Prenons un vew plus simpliste.

$x$

$x$

$\frac x 2$

$\frac x 2$

Cela montre que l'élargissement d'une trace réduira l'inductance de la trace. Comme indiqué, cela augmentera également la capacité, mais ce n'est pas la question.

[Mise à jour]

Pour voir pourquoi l'inductance existe effectivement, examinons de plus près ce que le circuit doit être pour que tout courant circule:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Supposons dans mon circuit simpliste que la sortie de Buf1 monte haut. L'énergie pour conduire la trace provient de l'alimentation électrique, via le pilote sur la trace, et la boucle est fermée pour renvoyer le même courant vers le côté négatif de l'alimentation.

Il s'agit d'une condition requise pour que le courant passe, qui est la condition requise pour qu'un champ magnétique existe autour d'un conducteur; comme il doit y avoir un courant de retour , une boucle se forme en effet.

Vous pouvez trouver cet article informatif.

Une façon de penser à cette question est que le courant dans la trace supérieure produit un champ magnétique autour de lui. Le courant dans le plan de masse ci-dessous produira également un champ magnétique qui aura tendance à annuler le champ de la trace supérieure alors qu'il circule dans la direction opposée. Si les deux courants sont identiques (mais de sens opposé) et ont le même emplacement physique (impossible), les deux champs s'annuleraient parfaitement et il y aurait une inductance nulle. Si vous écartez les deux courants (par l'épaisseur du PCB par exemple) une partie du champ sera annulée (inductance mutuelle) mais d'autres non, ce qui est à l'origine de l'auto-inductance. Maintenant, lorsque le courant traverse le plan de masse, il empruntera le chemin de moindre résistance, ou plus précisément, le chemin de la moindre impédance, il essaiera donc de s'écouler aussi près que possible de la trace ci-dessus, car celle-ci a la plus faible inductance propre (impédance = résistance + inductance en général). C'est pourquoi rapprocher la trace du plan et réduire la zone de boucle entre les deux réduira l'inductance. Cependant, et voici la réponse, tout le courant dans le plan de masse ne peut pas traverser le même morceau de cuivre car le champ magnétique d'un électron en mouvement repoussera les autres électrons en mouvement afin que le courant se propage à travers le plan de masse . Tout comme le courant de la trace supérieure produit un champ magnétique qui interagit avec le courant du plan du sol, le champ d'un électron en mouvement dans le plan du sol interagit avec le champ d'un autre les écartant. Cette répartition du courant dans le plan de masse augmente l'auto-inductance, donc en augmentant la largeur de la trace supérieure, les deux courants peuvent se refléter plus étroitement, ce qui augmente l'annulation de champ et réduit l'auto-inductance. J'espère que cette explication vous donnera un aperçu de la physique impliquée.

Toutes les parties conductrices à proximité d'un champ magnétique alternatif local provenant du courant dans un fil / conducteur isolé généreront des courants de Foucault et plus la partie conductrice isolée sera grande / large, plus les courants de Foucault seront importants.

Les champs magnétiques peuvent également se replier sur les conducteurs qui les créent et produisent des courants de Foucault. Ces courants de Foucault agissent comme de minuscules virages court-circuités distribués et plus la piste est grande / large, plus le courant de Foucault est généralement grand.

Par conséquent, pour les pistes plus grosses, il y a plus de courants de Foucault et cela a pour effet numérique de réduire l'inductance globale de la piste / du conducteur.

Je fournis deux exemples "intuitifs" très simples pour répondre à votre question.

Exemple 1
D'après la définition de l'inductance, L = -V / (di / dt), on peut voir que:
lorsque le courant (di) augmente, l'inductance (L) diminue.
De plus, puisque I = V / R, I augmente à mesure que R diminue.
De plus, puisque R = k / A, R diminue à mesure que la surface de section transversale (A) augmente.
Par conséquent, à mesure que la surface de section transversale (A) augmente, l'inductance (L) diminue .

Exemple 2
Faire deux traces distinctes identiques, avec une section transversale (A) = 1 mm2. Disons que chacun a une inductance de 1 mh. Lorsque vous connectez les extrémités, cela revient à câbler deux inductances en parallèle . L'inductance totale de deux inductances en parallèle est L = (L1 x L2) / (L1 + L2). Puisque L1 = L2, L = (L1 x L1) / (2L1) = L1 / 2. Cela montre que lorsque nous doublons (augmentons) l'aire de la section transversale (A = 2 mm2), nous réduisons (diminuons) l'inductance de moitié.