什么是电感以及它如何应用于接地弹跳?
出处:网络整理 发布于:2023-11-01 16:49:54
PCB 设计人员经常从各种来源获取信息,包括“非主流和数据表”。为了做出正确的决策,您需要了解组件的基础物理和机械结构。本文着眼于应用于地弹的电感。
电流如何沿着电线传输?电磁学物理综述
电荷在其长度的一小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。然而,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较低电势能的位置,从而产生电流。
随着电流从零增加,一定量的能量将被转移到并存储在围绕电线的磁场中。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,该速度由电线及其周围环境的介电常数和磁导率决定。
在下图中,显示了一根电线(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,产生围绕导线的磁场。当导线恢复到 0 时,磁场就会消失。
该视觉辅助工具表明,向电磁场的转变需要时间来传播。这是马克·休斯的一种艺术诠释,而不是严格的数学模型。当电流恒定时,磁场保持恒定。如果电流减少,磁场就会减少,但在它进行斗争之前就会减少。
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,从而感应出沿导体长度流动的电流。经过一段时间,磁场能量和电势差衰减为零。
电感器的作用
电感器能够产生大的瞬时电压,这是升压转换器中经常利用的特性。如果电流幅度可以在很短的时间内发生变化,就像开关状态期间经常出现的情况一样,那么即使电路的电感非常低,所产生的电势差也将很大。
\三角形\text{V}=?L\frac{\text{dI}}{\text{dt}}
碰巧的是,现代集成电路的设计具有非常低的上升和下降时间(<10 -9 s),具有多个共享相同 Vss 和 Gnd 线(这会增加同时切换期间的电流)的输出引脚,并且具有非常小的噪声裕度。这意味着我们甚至需要关注非常小的电感。
在开关期间,感应电压可能会导致 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 封装内部有一个小芯片。芯片上的焊盘通过细接合线连接到外部封装引脚。这些电线具有少量但不小的电感。开关间隔短,加上封装电感(主要归因于键合线),可能会导致封装引脚和 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,但他们有时可以在设计中选择较小的封装或倒装芯片封装 - QFN 封装几乎肯定比包含相同芯片的 DIP 封装具有更低的封装电感。
每个 IC 封装内部都有一个芯片,通常通过键合线物理连接到 IC 封装的引脚。
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,请为所有信号线提供直接、不间断的返回路径,在信号过孔附近提供接地返回过孔,并在相邻层上提供不间断的接地层。如需了解更多信息,请参阅此TI 应用笔记。
虚拟电路的 3D 横截面和顶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会找到一条返回源的路径。
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