PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第96页
80 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 图 4-2 导 线 周 围 的磁 场 线 循 环 方 向 是 由 “ 右 手定 则 ” 给 出 的 ： 右 手 的 大拇指指 向 电 流 的 方 向 ， 手指指 向 循 环 方 向上 我 们 有时 用 希 腊 字母 “ 如 ' 来 表示 导 体周 围 的电 场 线 数 量 ， 也 称 为 电 场 线的通量 。 因 为 导 体周 围 的 每 …
第
4
章电感和
PDN
设计
79
5.
如果在一个导体周围磁场环的数目改变了
，
那么不管出于什么原因
，
在导体中都会
产生一个电压
。
6.
能量存储在磁场中
。
磁场线的数量越大
，
磁场的能量就越大
。
提示
对
6
种电感原理的扎实理解是设计控制电感的物理结构的重要技能
。
因为磁场线只出现在环上
，
所以它们可以单独计算
。
在国际单位制中
，
磁场线的圈
数以韦伯为单位来计算
。
在
cgs
单位制中
，
我们使用
Mx
（
麦克斯韦
）
为单位来计算磁场线
的数量
：
IWb
（
韦伯
）
=
108Mx
（
麦克斯韦
）
（
4-7
）
式中
，
Wb
（
韦伯
）
是国际单位制中磁力线的数量单位
；
Mx
（
麦克斯韦
）
是
cgs
单位制中磁力
线的数量单位
。
不管单位是什么
，
导体周围的磁场线的数目与流过导体的电流成正比
。
这类似于电容器
。
在电容中
，
我们用库仑为单位计算电荷
，
而导体之间过多的电荷量
与导体之间的电压成正比
。
在带电流的长均匀导线周围磁场线的形状是同心圆
，
如图
4-1
所示
。
图
4-1
关于载流长直导线周围磁场环有两种观点.在左边的视图中
，
这条线几乎是垂直
的
，
而电场线在导线周围显示为中心圆
。
在右边的视图中
，
导线和电流从纸上出
来
。
磁场线是围绕电流的同心圆
，
在离电流较远的地方其较为稀疏
。
这些环在载流
导线的任意长度上都有分布
这些磁场线环在导线的任意地方都有
。
在每一个垂直于导线的切面上
，
电场线将以同
心圆的方式出现
。
电场线的作用就好像它们有一个循环的方向
。
其方向是由
“
右手定则''决定的
：
右手的
大拇指指向正电荷移动的方向
，
手指弯曲指向磁场线的循环方向上
。
这个概念如图
4-2
所示
。
80
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
图
4-2
导线周围的磁场线循环方向是由
“
右手定则
”
给出的
：
右手的大拇指指向电流的方向
，
手指指向循环方向上
我们有时用希腊字母
“
如'来表示导体周围的电场线数量
，
也称为电场线的通量
。
因为
导体周围的每一个磁场线都是环的一部分
，
所以我们可以计算导体周围任何位置处的环的
数目
。
我们要做的就是计算穿过导体到空间边缘的平面的环
。
穿过与电流相邻的虚平面的
环的总数是环的总数
，
如图
4-3
所示
。
图
4-3
我们可以通过计算穿过导体相邻区域的线通量来计算当前电场环的总数
。
这些十字表
示箭头的尾部
，
当它们经过与导线相邻的平面时
，
其方向是磁场线的方向
导线周围电场环的总数是指穿过这一区域的总场通量
，
从导体的中心到无穷远处
。
提示电场线的通量与导线周围的电场环数目相等
。
电感的基本定义是基于通过导体的电流
（
以
A
为单位
）
所产生的电磁场环的数量:
L
—
—
和
=
LI
(4-8)
第
4
章电感和
PDN
设计
81
式中
，
L
是电感
（
Wb/A
）
=H
；
雷是围绕着导体的磁通量
（
Wb
）
；
I
是导体的电流
（
A
）
。
虽然电容是一种测量给定电压下额外电荷效率的方法
，
但是电感是一种测量电流产生
磁感环效率的方法
。
1A
电流产生的磁感线越多
，
产生电感线的效率就越大
，
导线的电感
也就越高
。
高效率的导体结构能在少量电流的情况下产生许多电场环
，
并具有很大的电感
。
低效
率的导体设计则只具有低电感
。
电感并不是围绕在导体周围的电场环的数目
。
如果导线中有
5A
或
1mA
的电流
，
那
么磁场环的数目就会发生巨大的变化
，
但是导体的电感却不会
。
即使导体中没有电流
，
它
仍然具有相同的电感
。
提示
电感是导体的固有性质
，
与通过其的电流大小无关
。
如果磁场线通量是以韦伯为单位
，
而通过导体的电流的单位是安培
，
那么电感作为总
磁感线数目的一种度量单位
，
就有了单位
—
—
韦伯/安培
（
Wb/A
）
。
在国际单位制中
，
它有
一个独特的名字
—
—
亨利
。
因为许多信号完整性的应用涉及微小的电感
，
所以更方便的单
位是纳亨
，
缩写为
nH,
甚至是皮亨
，
缩写为
pH
。
电感很少用
cgs
单位来测量
。
这在一定程度上是由于存在多个
cgs
单位
。
在电磁单元
（
EMU
）
的
cgs
单位中
，
电感由
abHenry
（
电磁亨
）
来描述
，
电流由
abAmp
（
电磁安培
）
来描
述
。
其相互转换关系是
：
1
Amp
=
0.
labAmp
（
4-9
）
1
H
=
1
Wb/A
=
10
8
Mx/0.
labAmp
=
10
9
abHenry
（
4-10
）
我们在这里介绍
abHenry
只是为了说明完整性
，
以后不会再讨论了
。
电感本身就很容
易让人迷惑
，
因此没有必要再增加一组几乎没有使用过的单位了
。
如果电流加倍
，
则导线周围的磁场环的数量就会加倍
，
但电感值保持不变
。
电感是导
体的固有特性
，
它只依赖于导体的几何形状
。
由于磁感线不与电介质相互作用
，
所以导体
周围的介质材料的分布不会影响磁感线的数量
，
也不会影响信号和返回路径中导体的电感
。
从技术上讲
，
这并不完全正确
，
实际上电介质对磁场线有轻微的影响
。
这些性质被描
述为抗磁或顺磁性质
，
这取决于介质材料是减少还是增加了电场环的数量
。
在所有绝缘电
介质中
，
除了那些铁氧体的电介质外
，
电介质对磁场的影响远小于
6
01%
。
在实用的基础
上
，
电介质材料对磁场线是没有影响的
，
而且它们根本不与磁场相互作用
。
提示
在实用的基础上
，
除了铁氧体外
，
电介质材料对磁场线是没有影响的
，
而且它
们根本不与磁场相互作用
。
一种有趣的介质材料是铁氧体
，
一
种是通常由氧化铁和一到两种金属氧化物
（
如锌
、
银
、
镒或锯
）
组成的陶瓷
。
这些材料具有很高的渗透性
，
并极大地增加了其围绕着的导体
电感
。
获得最大电感的条件是
，
来自闭合电流的磁场环完全包含在高磁导率的铁磁体中
，
铁氧体必须完全围绕着电流
。