Wenn ich einen IC, bspw. einen µC, über einen durchgängigen Masselayer
an GND anschließe und mit einer etwas "verschlungenen" Leiterbahn an
VCC, wie fließt dann der Strom?
Man soll ja mit den Leiterbahnen immer eine möglichst kleine Fläche
aufspannen, um die Induktivität niedrig zu halten. Und da sich der Strom
den Weg der geringsten Induktivität sucht, wäre meine Vermutung fast,
dass der Strom sich dann an die Vcc-Leiterbahn hält? Oder fließt er
möglichst direkt zurück?
Klingt vermutlich etwas verwirrend, daher im Anhang eine kleine Skizze
;)
Viele Grüße
So lala
PS: Anzumerken ist dabei, dass es hier um das Prinzip geht, nicht um den
spezifischen Fall von Vcc. Natürlich würde man in der Praxis sein Vcc
nach GND möglichst gut entkoppeln, sodass der Versorgungsstrom eher ein
Gleichstrom ist. Aber wir gehen hier einfach mal von was schnell
getaktetem aus ;)
Weil, wie du selbst schon festgestellt hast, die Induktivität am
kleinsten ist, wenn der Strom direkt unter der Leiterbahn zurückfließt.
Während bei DC die Induktivität noch egal ist, kommt sie mit steigender
Frequenz immer stärker zu tragen und veranlasst den Strom den Weg des
geringsten Widerstandes zu nehmen.
So lala schrieb:> wie fließt dann der Strom
Physikalisch gesehen immer noch von - nach +
Sobald der IC arbeitet (seine Stromaufnahme ändert) wird die Leiterbahn
mit Wechselstrom mit Gleichspannungsanteil belastet und bekommt daher
ein magnetisches Wechselfeld.
Sie wirkt also wie eine Spule. Die Leiterbahn ist immer induktiv!
Daher muss am IC ein Abblockkondensator ran.
Muss die Versorgunsspannung sauber bleiben, kann man eine Ferittperle
vor dem IC in die Versorgungsleitung einsetzen, und am IC dann den C
gegen GND.
hmm schrieb:> Warum ist die Induktivität am kleinsten unter der Vcc Leiterbahn?
Weil die Induktivität davon abhängig ist, welche Fläche die
Leiterschleife umfasst. Daher sollte man, wenn man GND-Leiterbahnen
verwendet, Hin-(Vcc) und Rückleitung nahe beieinander verlegen. Bei
einer GND-Fläche regelt sich das nach allgemeinen physikalischen
Prinzipien von selbst, wenn man den Rückstrom nicht durch Schlitze o.ä.
behindert - deswegen ist das auch so überaus schädlich. Freiheit für den
Rückstrom!
Georg
Noch kürzer als der Weg unter der VCC Leiterbahn ist es über den
Abblockkondensator direkt am IC. Damit wird vermieden das der Rückstrom
von der Versorgung sich den langen weg suchen muss. Für die Ströme durch
die Ausgänge klappt das allerdings dann oft nicht mehr so perfekt und
etwas Strom muss dennoch den langen Weg, bzw. dem zum Ziel ds Signals
nehmen.
In der Praxis ist daher die Frage mit dem HF Rückstrom vor allem bei den
Signalen wichtig.
Zum Nachdenken:
Wie du erkannt hast, ist man sich nie sicher, wo der Strom bei einer
Ground Plane fließt. Warum nimmt man sie dann? Wenn man eine für den
Strom geeignete Leiterbahn verwendet hat man folgende Vorteile gegenüber
einer Fläche:
- Man kennt die Leiterschleife genau
- Man verringert die kapazitive Fläche, was gut ist, wenn GND nervös
rumwackelt bedingt durch induktiven Hub
- Man kann super Abzweigpunkte für leistungs, analoge und digitale
Teilschaltungen definieren
- Kapazitive Kopplung auf andere Leitungen wird reduziert.
Vorteil von Kupferflächen habe ich bis jetzt in der Entwärmung von
Hotspots gesehen. Und es reicht ein Via und schon ist GND angeschlossen
:-)
Überlegung zur Induktivität von Leiterbahnen:
Anordnung A Leiterbahnen übereinander. -...ist Kupfer
0.3mm Breite, 1.6mm Dicke
Layer 1. ----
Layer 2. ----
Anordnung B Leiterbahnen nebeneinander
0.3mm Breite, 0.3mm Abstand
Laser 1 ---- ----
Anordnung A hat eine Wicklung mit 1.6mm hohe Fläche aufgespannt, dabei
aber 0.3mm Wicklungslänge. D.h. 0.3mm Luftspalt wo energie rein kann.
Der Rest außerhalb ist ein magn. Kurzschluss da unendlicher Querschnitt.
Abordnung B hingegen hat eine Höhe von 0.6mm (Mitte-Mitte Leiterbahn),
und zusätzlich einen nur 35um langen Luftspalt.
D.h. Anordnung A sollte der Theorie nach mehr Induktivität haben als
Anordnung B. Somit sollte ein Einlagendesign in der Sicht besser sein
als ein 2 Lagendesign.
Hat jemand von euch schon einmal dir Induktivität von einer realen
Leiterbahnschleife berechnen können? Gibts ein vernünftiges Programm
dazu?
Tja, so langsam wird unsere handwerkliche Erfahrung wertlos.
Seit Spice brauchen wir nicht mehr zu wissen, wo man mit der Berechnung
anfängt. Abblockkondensatoren und Leiterbahnen können die Programme
inzwischen besser optimieren. Nur noch eine Frage der Zeit, bis die
Autoplacer auch besser werden, als wir.
Für die Berechnung der Induktivität bin ich schon öfters über solche
Methoden gestoßen:
http://www.legic.com/media/981090/v13/File/improved-formulae-for-the-inductance-of-straight-wires.pdf
Mir fehlen bei derartigen Papers immer die ausführbaren oder zumindest
abschreibbaren Eingaben für ein CAS oder Numerik Programm.
Hat jemand derartige Berechnungen schon selber durchgeführt?
PS: Bei den Statistikern ist es anscheinend so, ohne R Datei zum
Ausführen, kein Paper
StromflussinMasse.png
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