TecNoticias, tu portal de información

Aprenda sobre la física de la corriente en un cable y por qué debería preocuparse por pequeñas cantidades de inductancia.

Los diseñadores de PCB a menudo recopilan información de una variedad de fuentes, incluidas "las calles y las hojas de datos". Para tomar buenas decisiones, debe comprender la física subyacente y la construcción mecánica de sus componentes. Este artículo analiza la inductancia según se aplica al rebote en tierra.

¿Cómo viaja la corriente por un cable? Una revisión de la física electromagnética

Un cable con cargas que fluyen aleatoriamente hacia adelante y hacia atrás en secciones cortas de su longitud no tendrá corriente ni campo magnético medible. Sin embargo, si existe una diferencia de potencial entre dos puntos en ese cable, las cargas en lugares con alto potencial de energía eléctrica comenzarán a migrar a lugares con menor potencial de energía eléctrica, creando una corriente.

A medida que la corriente aumenta desde cero, cierta cantidad de energía se transferirá y almacenará en un campo magnético que rodea el cable. A medida que aumenta el tiempo, los cambios en el campo eléctrico y el campo magnético se propagarán a lo largo y hacia afuera del cable. Estos cambios en los campos eléctricos y magnéticos ocurren a una velocidad rápida pero finita que está determinada por la permitividad y la permeabilidad del cable y sus alrededores.

En la imagen de abajo, se muestra un cable (cilindro verde / rojo) con los campos magnéticos que lo acompañan, que se muestran en cortes transversales circulares. El color verde / rojo del cable representa 0 V y 1 V de potencial.

Cuando el extremo izquierdo del cable transita de 0 V a 1 V, las cargas comienzan a moverse hacia la derecha, generando un campo magnético que rodea al cable. Cuando el cable vuelve a 0, el campo magnético se disipa.

Esta ayuda visual muestra que las transiciones a campos electromagnéticos tardan en propagarse. Esta es una interpretación artística más que un modelo matemático estricto de Mark Hughes.

Mientras que la corriente es constante, el campo magnético permanece constante. Si la corriente disminuye, el campo magnético disminuirá, pero no antes de que ponga una pelea.

La energía previamente almacenada en el campo magnético se convierte rápidamente en energía eléctrica en forma de una diferencia de potencial que induce a una corriente a correr a lo largo del conductor. Durante un período de tiempo, la energía del campo magnético y la diferencia de potencial se reducen a cero.

El papel de los inductores

Los inductores tienen la capacidad de crear grandes voltajes instantáneos, una propiedad a menudo explotada en convertidores de voltaje de refuerzo. Si se puede hacer que la amplitud de la corriente cambie en un período de tiempo muy corto, como suele ser el caso durante los estados de conmutación, la diferencia de potencial generada será significativa, incluso si la inductancia del circuito es muy baja.

$$ triangle text {V} = – L frac { text {dI}} { text {dt}} $$

Da la casualidad de que los circuitos integrados modernos están diseñados con tiempos de subida y caída muy bajos (<10^-9 s), tienen múltiples pines de salida que comparten las mismas líneas Vss y Gnd (lo que aumenta la corriente durante la conmutación simultánea), y tienen márgenes de ruido muy pequeños. Eso significa que debemos preocuparnos por cantidades muy pequeñas de inductancia.

Durante la conmutación, los voltajes inducidos pueden hacer que los potenciales Gnd y Vss de un IC sean significativamente diferentes al potencial Gnd y Vss del resto del circuito.

Inductancia del paquete

Dentro de un paquete IC hay un pequeño troquel. Las almohadillas de la matriz se conectan a los pasadores externos del paquete con cables de unión delgados. Esos cables tienen una pequeña, pero no trivial inductancia asociada con ellos. Los intervalos cortos de conmutación, combinados con la inductancia del paquete (principalmente atribuida a los cables de unión), pueden causar que se generen voltajes significativos entre los pines de los paquetes y los semiconductores en el troquel IC.

La mayoría de los diseñadores de PCB no tienen control sobre la construcción del paquete, pero a veces pueden seleccionar paquetes más pequeños o paquetes con chip invertido en sus diseños; es casi seguro que un paquete QFN tendrá una inductancia menor que un paquete DIP que contenga el mismo troquel.

Dentro de cada paquete IC hay un troquel que está conectado físicamente a las patillas del paquete IC, generalmente con cables de unión.

Inductancia de traza

A diferencia de la inductancia del paquete, puede manipular el diseño de su PCB para disminuir o aumentar la inductancia de su circuito. Tomar medidas para disminuir la inductancia siempre que sea posible. Haga esto proporcionando rutas de retorno inmediatas e ininterrumpidas para todas sus líneas de señal, proporcione vías de retorno a tierra cerca de sus vías de señal y proporcione planos de tierra ininterrumpidos en capas adyacentes. Para más información, vea esta nota de aplicación de TI.

Esta sección transversal 3D y la vista superior de un circuito ficticio muestra la trayectoria actual en la orientación vertical y horizontal a través de un componente arbitrario. Todas las líneas de señal cambiantes encontrarán una ruta de retorno a la fuente.

---

Los circuitos almacenan energía recuperable en los campos electromagnéticos que rodean sus huellas. Cuando esa energía de campo se convierte nuevamente a una diferencia potencial dentro de su circuito, puede interrumpir los estados lógicos y hacer que su circuito se comporte de manera impredecible. Tómese un momento para leer este artículo sobre el rebote desde el suelo para obtener más información.