两本必备的电感图书

电感可能是信号完整性中最让人迷惑的话题,也是最重要的话题。它在反射噪音、地面反射、PDN噪音和EMI方面起着很重要的作用。

由于这个主题在学校里不是以一种有效解决信号完整性问题的方式教授的,职业工程师们被迫从专业发展课程、书籍或文章中了解这个关键话题。

两本电感图书现已上市,工程师应该人手一本。

电感方面最早的权威书籍,电感计算,由Fredrick Grover撰写,1946年首次出版,现在已再版。最新的书,回路电感和部分电感,由Clayton Paul撰写,2010年刚刚发布。这两本书都介绍了不同几何形状中的导体的部分电感和回路电感的计算。这两本书都是适用于计算电缆、连接器、封装和电路板互连结构的电感值。

电感计算在1946年由D. Van Nostrand公司出版。1948年由Dover再版,1980年代中期绝版。今年又再版了,平装本价格非常便宜。

电动机、发电机及射频元件1940年代的高速增长期。其核心是电感器,能够使用铅笔或纸计算出它们自身的和相互间的电感值,这至关重要(在使用电子计算器前)。然而许多线圈几何形状根据他们的特殊条件是有经验公式的,Grover还开发了能够应用于计算所有普通形状和大小的线圈的公式框架。

虽然他没有明确地使用这个词,但是他在他的书中所介绍的是偏感应,不是回路电感。关于这个概念的价值,业内至今还有激烈的争论。

支持者说,它极大地简化了解决现实世界问题的方法,是非常有效的数学结构。你只需要在运用这个概念来计算感应电压时把偏感应转换成回路电感即可。

反对者说,没有为偏电感这种东西,如果你测量不到的话,就是线圈感应,不应该使用这个概念。错误地使用这个术语很危险。

回路电感和部分电感把部分和回路的概念带到了下一个阶段。这两个术语都清楚地被阐述和定义了。Grover介绍的许多公式在Paul的书中都出现过,他还提出了一些派生的细节,非常有好处。特别是介绍了电感并联和串联结合的方法,显示偏电感和回路电感之间的关系。

正如Clayton Paul指出的,在许多情况下,偏电感是解决电感问题的好方法。例如,在引脚区域的连接器,在引脚连接到电路中之前,不能定义返回路径。使用部分电感矩阵值使之成为一个简单的电路来模拟,而使用回路电感的话,矩阵值就复杂得多了。

我个人是部分电感大粉丝,并在我的书中,信号和电源完整性——简化了,广泛地使用了这个概念。它使电感的概念更容易理解,并强调了三个物理设计术语,它们减少了信号返回路径的回路电感:更粗的导体,更短的导体,以及让信号和返回导体靠得更近。最重要的是,部分电感在计算不规则形状导体时是一个强有力的概念。

从根本上讲,电感是每安培电流通过时,导体周围磁场线环绕的数量。在这方面,它是对导体产生的磁场线效率的测量。要计算导体电感,就是计算磁场线的数量,然后除以通过导体的电流。计算导体上的线圈数正是计算了导体的磁场密度。

从字面上讲,互联的电学影响的一切都从Maxwell方程延伸开来。Paul和Grover从最基本的Biot-Savart定律开始,该定律本身来自安培定律和高斯定律,和Maxwell方程中的一个,然后导出不同几何结构的近似值。Biot-Savart定律描述了从当前的一个点出发到空间中的某一点的磁场。

使用这种方法,作者能够计算各种不同的几何形状导体周围的磁场分布,并将领域整合(计算磁力线数量),以获得每安培电流的圈数。利用微积分的巧妙计算,他们能够获得许多这些几何图形的近似值。

Paul的著作的好处是,介绍了很多推导过程中隐藏的步骤。幸运的是,我们不必自己做推导,但可以依靠专家,然后我们利用他们的成果就可以了。

如果你和连接器、封装、过孔、板断面或形状奇特的输电线路打交道,并且需要估计不均匀形态的回路电感,这两本书是至关重要的资源。你的指尖将得到一大堆电感近似值。