电感相关知识以及传输线串扰的原因分析和PCB布局建议

一、 简述

电感在信号完整性章节中，相当重要，很多信号完整性的问题都和电感有关。因此，本文在叙述电感影响信号的作用机理之后，适当的给出PCB布局建议，以达到更好的信号质量。

二、 电感的含义

电感指由导线绕成的线圈或螺线管的电感，其中由磁力线通过，电感是对表面磁场强度的数值积分。如下式子所示

电感含义通俗的理解，电感本质上是对电流变化趋势的一种阻碍作用，只是这种阻碍只是一种单纯的阻碍，并不消耗电能，属于无功器件。
这种阻碍作用是如何产生的，一句话概述一下，电流的本质上是电荷的定向移动，电荷会在周围有电场（高斯定律），电流产生相应的磁场（安培定律），变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又变化的磁场，这种变化的磁场产生感应电压，这种感应电压反过来阻碍电流的变化。

例如在线圈上，由于每一圈之间的电流方向从正面看是同向的，由于每一圈周围都会产生相应磁场，这种磁场会阻碍其他线圈之间的电流变化。

以上的解释可能都是正确的，但是从实际上来讲，不利于我们进行分析，试想一下，如果直观的理解线圈，显然这种电感是存在的，如果保持线圈的匝数不变，增大线圈的之间的距离，线圈逐渐变小（电感量减小），但这种对电流的阻碍仍然存在。那如果继续增大呢，电感减小线圈直径继续减小，，对电流的阻碍仍然存在，想象一下，假如我们一直增大，直至线圈的直径为0，即直接将线圈拉成直线，这种电感仍然存在，并不会完全消失，对电流的阻碍仍然存在（此后文中局部电感的导入）。因此，用线圈或者螺线管不利于我们分析实际的问题。

三、 电感三大定律

定律一：电流周围形成闭合的磁力线圈

这些磁力线圈环绕在导线的周围，离导线越远，磁力线越少，表示影响越小。他们的方向用我们熟知的右手定则来判定，右手拇指指向电流方向，剩下四指的方向即为磁力线环绕方向。

如下图所示：

用韦伯为单位计算电流周围的磁力线匝数，磁力线的匝数和下列因素有关：

a、 电流增大一倍，磁力线匝数也增加一倍。

b、 导线越长，磁力线匝数越多

c、 导线的横截面，增大横截面积，磁力线匝数会略微减少

d、 周围其他导线电流存在，也会影响该电流周围的磁力线（互感，下文详细叙述）

e、 导体中含有铁磁金属（铁，镍、钴等），能使磁力线显著增加。

定律二：电流周围形成闭合的磁力线圈

电感是导体上流过单位安培电流时，导体周围磁力线圈的韦伯值。
由下列公式给定：

上式告诉我们，磁力线的匝数和电流的大小成正比，（电感和导体的结构有关，影响电感的因素为导体的分布和导体的磁导率）
这个定义式子包含了电感的所有情况。

定律三：当导体周围的磁力匝数变化时，导体两端将产生感应电压

只要导线的磁力线总数发生改变，导线两端就会产生电压。如下式所示：

由定律二中可知，N=L*I，于是带入上式，可以得到下列公式：

感应电压又称感应电动势，这个感应电压是电感在信号完整性意义重大的根本原因。如果没有电流的变化，就没有产生感应电压，信号线也就不会受到影响。

换句话来说，这个很多信号完整性问题都和电感有关，例如串扰，信号突变，开关噪声，大多数的电磁干扰源EMI等问题，这和感应电压分不开的。

由上面，可以概述一下，电感线圈阻碍电流变化的原因，如果电感线圈的电流发生变化，电感线圈就会产生电压，该电压的极性将使得产生的感应电流阻碍电流的变化。

拓展：此处产生的感应电压，当流过电感的电流突然断开时，电感中的电能在支路中由于开关断开，没有释放的回路，将以电能形式储存起来，等待下次开关闭合时，电感充当电源再次释放，会产生很大的瞬时电压（也称为开关噪声），很有可能会损坏电路，所以一般电感的后面都会另外提供一个支路，在开关闭合瞬间可以将电感里面的能量及时的释放出来，常规做法是在后面并联一个稳压二极管（该稳压二极管为一种特殊二极管，又称为续流二极管，在击穿后能快速的恢复二极管的性能）。

四、 自感和互感

前面的分析告诉我们，变化的磁场会产生感应电压，这个感应电压是影响信号的原因，也是自感影响信号的原因。因此，分析计算导线周围磁力线的强弱，也有利于我们分析影响信号的强弱。

通常我们说的电感称为自感，表示电感对本支路的影响。现实是，本支路的电感不仅会影响本之路信号，也会对其他支路的产生影响，这种影响本质上是相互的，为此，我们引入互感。

如下图所示：

基于此，一根导线上自身电流产生的磁力线称为自磁力线圈，临近产生电流产生的磁力线称为互磁力线圈。

由上图，我们发现源自b的磁力线圈而且环绕在a周围的磁力线圈一定同时环绕这a和b。

可以想象，在a处的电感，其实是a的自感和b对a互感的叠加（有正负的叠加，稍后分析）。此时a处的电感又称a路的总电感、净电感或有效电感。

五、 净电感计算以及PCB布局建议

某一支路的净电感=自感±互感

此处互感与自感同向时为加，反向时为减

由于右手定则，我们知道，可以由电流方向得出磁场线的方向，

A、对于两条支路信号反向（初始路径和返回路径的情况）由下图，不难得出结论，

a支路净电感=La-Lab，

即a支路的总磁力线Na= （La-Lab）*I

我们知道，越靠近支路的地方，磁力线越强，因此，互感也越强，此时为了减少a支路的净电感，应将支路a和支路b尽量靠近，增大互感，也就减少了净电感，从而减少了彼此之间的串扰。

B、对于两条支路信号同向，由下图，不难得出结论，

a支路净电感=La+Lab，

此时净电感为两者的叠加，因此，应该尽量加大两线之间的距离，我看过的说法是，只有将两者的间距大于等于两者并行线段的长度时，互感的影响可以忽略不计。

PCB布局建议：

1、 信号路径与返回路径的情况，两线之间应该尽量靠近。

2、 两线信号方向相反的情况，两线应该尽量拉远，越远越好。

六、 拓展

由于补充知识内容的关系，本节将作为拓展内容，简单叙述以及给出一些合适的建议。

拓展一、经常讨论的减少回路面积，一般来讲也是对的，但不利于进行直观的感受，如下图所示：

如上图所示，两个回路的面积时相等，但其中的支路净电感却不相同，针对不同的情况，选择合适的布线方式效果是不一样的。

拓展二

如上图是一般过孔放置，和优化后的过孔放置，在进行对相关器件的的过孔处理时，由于信号反向，上图的过孔距离过大，净电感就比较大。下图优化之后，电容正左右的过孔由于和上的过孔是同向的，因此距离应该加大，如果过孔电流方向相反，则尽量靠近。