什么是电感以及它如何应用于接地反弹?

原创 摩尔学堂 2022-02-23 11:00

了解电线中电流的物理特性,以及为什么您应该关心即使是少量的电感。

PCB 设计人员经常从各种来源获取信息,包括“不寻常的街道和数据表”。为了做出正确的决定,您需要了解组件的基本物理和机械结构。本文着眼于电感,因为它适用于接地反弹。

电流如何沿着电线传输?电磁物理学综述

带有电荷在其长度的较短部分上随机来回流动的导线将没有电流,也没有可测量的磁场。但是,如果该导线上的两个点之间存在电势差,则高电势能位置的电荷将开始迁移到电势能较低的位置,从而产生电流。

随着电流从零开始增加,一些能量将被转移并存储在环绕导线的磁场中。随着时间的增加,电场和磁场的变化将沿着导线向外传播。电场和磁场的这些变化以快速但有限的速度发生,该速度由导线及其周围环境的介电常数和磁导率决定。

在下图中,显示了一根导线(绿色/红色圆柱体),并以圆形横截面切片显示了伴随的磁场。导线的绿色/红色代表 0 V 和 1 V 电位。

当导线的左端从 0 V 转变为 1 V 时,电荷开始向右移动,从而产生环绕导线的磁场。随着导线变回 0,磁场消散。 

该视觉帮助表明,向电磁场的转变需要时间来传播。这是马克休斯的艺术诠释,而不是严格的数学模型。

当电流恒定时,磁场保持恒定。如果电流减小,磁场就会减小,但在它打架之前不会。 

先前存储在磁场中的能量以电势差的形式快速转换为电能,从而感应电流沿导体的长度流动。在一段时间内,磁场能量和电位差衰减为零。

电感器的作用

电感器能够产生较大的瞬时电压,这是升压转换器中经常使用的一种特性。如果可以在很短的时间内使电流幅度发生变化,就像在开关状态期间经常发生的情况一样,即使电路的电感非常低,所产生的电位差也会很大。

 

碰巧现代集成电路设计为具有非常低的上升和下降时间(<10 -9 s),具有共享相同 Vss 和 Gnd 线的多个输出引脚(这会在同时切换期间增加电流),并且具有非常小的噪声裕度。这意味着我们需要关注甚至非常少量的电感。

在切换过程中,感应电压会导致 IC 的 Gnd 和 Vss 电位与电路其余部分的 Gnd 和 Vss 电位显着不同。

封装电感

IC 封装内部是一个小芯片。管芯上的焊盘通过细焊线连接到外部封装引脚。这些电线具有与它们相关的少量但不平凡的电感。较短的开关间隔与封装电感(主要归因于键合线)相结合,会导致封装引脚与 IC 芯片上的半导体之间产生显着电压。

大多数 PCB 设计人员无法控制封装结构,但有时他们可以在设计中选择更小的封装或倒装芯片封装——QFN 封装几乎肯定会比包含相同裸片的 DIP 封装具有更低的封装电感。

每个 IC 封装内部都有一个裸片,该裸片物理连接到 IC 封装的引脚,通常使用键合线。

走线电感

与封装电感不同,您可以操纵 PCB 设计来减少或增加电路的电感。尽可能采取措施降低电感。为此,您可以为所有信号线提供即时、不间断的返回路径,在信号通孔附近提供接地返回通孔,并在相邻层上提供不间断的接地层。有关详细信息,请参阅此TI 应用说明

这个虚构电路的 3D 横截面和俯视图显示了通过任意组件的垂直和水平方向的电流路径。所有变化的信号线都将找到到源的返回路径。

 

电路将可恢复的能量存储在围绕其迹线的电磁场中。当该场能量转换回电路内部的电位差时,它会破坏逻辑状态并导致电路的行为不可预测。




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