了解電線(xiàn)中電流的物理原理以及為什么您應(yīng)該關(guān)心即使是很小的電感。

PCB 設(shè)計(jì)人員經(jīng)常從各種來(lái)源獲取信息，包括“非主流和數(shù)據(jù)表”。為了做出正確的決策，您需要了解組件的基礎(chǔ)物理和機(jī)械結(jié)構(gòu)。本文著眼于應(yīng)用于地彈的電感。

電流如何沿著電線(xiàn)傳輸？電磁學(xué)物理綜述

電荷在其長(zhǎng)度的一小部分上隨機(jī)來(lái)回流動(dòng)的導(dǎo)線(xiàn)將沒(méi)有電流，也沒(méi)有可測(cè)量的磁場(chǎng)。然而，如果該導(dǎo)線(xiàn)上的兩個(gè)點(diǎn)之間存在電勢(shì)差，則高電勢(shì)能位置的電荷將開(kāi)始遷移到較低電勢(shì)能的位置，從而產(chǎn)生電流。

隨著電流從零增加，一定量的能量將被轉(zhuǎn)移到并存儲(chǔ)在圍繞電線(xiàn)的磁場(chǎng)中。隨著時(shí)間的增加，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化將沿著導(dǎo)線(xiàn)向外傳播。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的這些變化以快速但有限的速度發(fā)生，該速度由電線(xiàn)及其周?chē)h(huán)境的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率決定。

在下圖中，顯示了一根電線(xiàn)（綠色/紅色圓柱體），并以圓形橫截面切片顯示了伴隨的磁場(chǎng)。導(dǎo)線(xiàn)的綠色/紅色代表 0 V 和 1 V 電位。

當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)的左端從 0 V 轉(zhuǎn)變?yōu)?1 V 時(shí)，電荷開(kāi)始向右移動(dòng)，產(chǎn)生圍繞導(dǎo)線(xiàn)的磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)恢復(fù)到 0 時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)消失。

該視覺(jué)輔助工具表明，向電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)變需要時(shí)間來(lái)傳播。這是馬克·休斯的一種藝術(shù)詮釋?zhuān)皇菄?yán)格的數(shù)學(xué)模型。

當(dāng)電流恒定時(shí)，磁場(chǎng)保持恒定。如果電流減少，磁場(chǎng)就會(huì)減少，但在它進(jìn)行斗爭(zhēng)之前就會(huì)減少。

先前存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中的能量以電勢(shì)差的形式快速轉(zhuǎn)換為電能，從而感應(yīng)出沿導(dǎo)體長(zhǎng)度流動(dòng)的電流。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，磁場(chǎng)能量和電勢(shì)差衰減為零。

電感器的作用

電感器能夠產(chǎn)生大的瞬時(shí)電壓，這是升壓轉(zhuǎn)換器中經(jīng)常利用的特性。如果電流幅度可以在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，就像開(kāi)關(guān)狀態(tài)期間經(jīng)常出現(xiàn)的情況一樣，那么即使電路的電感非常低，所產(chǎn)生的電勢(shì)差也將很大。

\三角形\text{V}=?L\frac{\text{dI}}{\text{dt}}

碰巧的是，現(xiàn)代集成電路的設(shè)計(jì)具有非常低的上升和下降時(shí)間（<10 -9 s），具有多個(gè)共享相同 Vss 和 Gnd 線(xiàn)（這會(huì)增加同時(shí)切換期間的電流）的輸出引腳，并且具有非常小的噪聲裕度。這意味著我們甚至需要關(guān)注非常小的電感。

在開(kāi)關(guān)期間，感應(yīng)電壓可能會(huì)導(dǎo)致 IC 的 Gnd 和 Vss 電位與電路其余部分的 Gnd 和 Vss 電位顯著不同。

封裝電感

IC 封裝內(nèi)部有一個(gè)小芯片。芯片上的焊盤(pán)通過(guò)細(xì)接合線(xiàn)連接到外部封裝引腳。這些電線(xiàn)具有少量但不小的電感。開(kāi)關(guān)間隔短，加上封裝電感（主要?dú)w因于鍵合線(xiàn)），可能會(huì)導(dǎo)致封裝引腳和 IC 芯片上的半導(dǎo)體之間產(chǎn)生顯著電壓。

大多數(shù) PCB 設(shè)計(jì)人員無(wú)法控制封裝結(jié)構(gòu)，但他們有時(shí)可以在設(shè)計(jì)中選擇較小的封裝或倒裝芯片封裝 - QFN 封裝幾乎肯定比包含相同芯片的 DIP 封裝具有更低的封裝電感。

每個(gè) IC 封裝內(nèi)部都有一個(gè)芯片，通常通過(guò)鍵合線(xiàn)物理連接到 IC 封裝的引腳。

走線(xiàn)電感

與封裝電感不同，您可以操縱 PCB 設(shè)計(jì)來(lái)減少或增加電路的電感。盡可能采取措施降低電感。為此，請(qǐng)為所有信號(hào)線(xiàn)提供直接、不間斷的返回路徑，在信號(hào)過(guò)孔附近提供接地返回過(guò)孔，并在相鄰層上提供不間斷的接地層。如需了解更多信息，請(qǐng)參閱此TI 應(yīng)用筆記。

虛擬電路的 3D 橫截面和頂視圖顯示了通過(guò)任意組件的垂直和水平方向的電流路徑。所有變化的信號(hào)線(xiàn)都會(huì)找到一條返回源的路徑。