什么是趋肤效应

很多同行来问什么是趋肤效应,趋肤效应应该是附在表面,为什么变成了附在线路横截面的底面?下面就和小易,一起具体了解下趋肤效应。

趋肤效应也称集肤效应,英文术语是Skin effection,它是指在电流流过导体时,由于导体与其上建立的电磁场之间的相互作用,使电流集中到导体横截面的表面的现象。具体来说,当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,而导体内部实际上电流较小。

趋肤效应导致导体的电阻增加,进而增加了其损耗功率。趋肤效应与交流电的频率有关,频率越高,趋肤效应越显著。在高频情况下,电流几乎完全从导体表面流过。

光从概念来讲,可能是一头雾水,一起来看下实例,下图是一个高频Cable线的横截面剖视图,在高频的情况下,电流只在阴影部分流通,中间空白部分实际上是没有任何电流通过的。

我们学过物理的都知道,导线的电阻计算公式为:

R=ρ×L/S(ρ为导体电阻率,L为导体长度,S为导体横截面积);

其中ρ和L是不变的,在趋肤效应作用下,S实际上为上图中阴影部分的面积,这样就S值就缩小,造成了导线阻值R的增大。同时小易使用了Sigrity来仿真出了5GHz的频率下的一个云图,如下图所示,红色部分是电流大都在圆弧的外侧。

因此,对于高频信号线来说,中间的金属部分实际上没有存在的必要,这也是很多高频的Cable连接线都使用的空心电缆的原因,同时也节省了金属材料。

趋附效应有个经验公式如下,频率越高,透入深度值就越小;

上面所说的趋肤效应是单根高频线,与其他线隔离的一个状态,如果在线路板中,高频信号线是处在一个与很多信号交织的过程,那这样趋肤效应会发生什么变化呢?

如下图所示,在电路板中,信号组成了一个由正到负的回路,在高频线的下方,EDA工程师需要添加用于回流的GND信号,这样可以使信号的回流路径尽量短。由于正负电荷的吸引,会使双方的电荷集中到绝缘层FR4的

两个面上,不再是集中到导线的4个表面上。

这样,到了实际的电路板中,趋肤效应就变成了趋附效应 ,导线的上表面是没有电流的。在一些电路中,比如汽车电子,通过加厚铜箔到4Oz厚度来增大导线的同流能力,但发现到了高频电路里,这种方式是无效的,不管铜箔有多厚,实际有电流的就那么厚一点,就像修路一样,路修的再宽,车子不走也没用。

趋附效应是一个3维的立体效应,对上下异面信号有影响,同时在导线绕线时也对路径在同面有影响,这里就不过多谈论了。

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