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相比于硬件工程師,PCB工程師對環(huán)路
電感更敏感,因為環(huán)路電感和走線強(qiáng)相關(guān),不管是信號完整性還是電源完整性都有涉及,
一旦走線確定,環(huán)路電感也隨之確定,如果環(huán)路電感初期評估失誤將會給后期改版帶來巨大風(fēng)險。
然而并不是所有人都清楚這個詞背后的物理意義。
我們從自感、互感,最后再到環(huán)路電感進(jìn)行完整的介紹,徹底搞懂環(huán)路電感,從根本上認(rèn)識我們的走線對于環(huán)路電感的影響,以及如何優(yōu)化PCB走線來減小環(huán)路電感。
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自感
自感這個概念我們高中就學(xué)過,指的是當(dāng)一個線圈中通入變化的電流,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢阻礙這個變化的電流。下圖中紅色是輸入的電流和它所產(chǎn)生的磁場方向,藍(lán)色的是感應(yīng)出來的電流和磁場方向,感應(yīng)的電流和原始電流方向相反,進(jìn)而產(chǎn)生阻抗。
自感可以理解為對交變電流的阻礙程度,自感越大,對電流的阻礙程度就越高,換句話說,相同頻率下,電感量越高,則阻抗越大。
我們平時用的電感元件內(nèi)部一般就是繞線制作的,這個電感就是自感,下圖是典型的多層電感器示意圖。
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互感
互感反應(yīng)的是兩個線圈彼此之間的作用,當(dāng)兩個線圈彼此靠近時,一個線圈中通入變化的電流,會在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,如果這個線圈有閉合
回路,就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。
PCB走線也存在自感與互感,其形成原因與上面基本一致。
一段導(dǎo)線中通入變化的電流,會在自身的導(dǎo)電平面上產(chǎn)生自感,同時又會在相鄰平面上產(chǎn)生互感,自感與互感相疊加共同作用于信號。
先建立信號路徑與返回路徑的概念,見下圖,
信號的傳輸路徑分為信號路徑和返回路徑,在高速信號走線以及開關(guān)回路中,信號層的下面往往有完整的參考平面,
回流會自動選擇阻抗最小的路徑,因此此時的回流路徑就是信號路徑在參考平面的投影。
環(huán)路電感計算公式:
環(huán)路電感 = 信號路徑自感 返回路徑自感 - 信號、返回路徑互感
這是一個非常重要的公式!
從上面公式可以看出,
減小環(huán)路電感的方法為減小信號路徑和返回路徑的自感,或者增加信號與返回路徑之間的互感。
減小信號路徑和返回路徑自感的方法為縮短PCB走線,或者增加這段走線的線寬,其中
縮短走線程度是最有效的手段,這就是我們走線是要盡量短的重要原因之一,而增加線寬效果有限。
增加信號路徑與返回路徑互感的方法為選擇介質(zhì)厚度更薄的PCB疊層,
讓信號路徑和返回路徑距離更近,或者是保證完整的參考平面,尤其是避免跨分割的出現(xiàn)。
我們通常所說的減小環(huán)路面積,指的是減小信號路徑和返回路徑的距離,距離近了互感就大了,環(huán)路電感就小了,這個環(huán)路面積是信號與參考層之間的路徑,并不單單是信號自身的走線面積,這點(diǎn)我們不要搞混了。
---The end---