之前的文章已經討論了單根孤立導線在通過高頻電流時,導線內部的磁場對電流的影響(集膚效應)。高頻時,導線外部磁場與直流或低頻磁場一樣,由導線表面向徑向方向輻射開來。電流在外表面流通,電流密度從導線表面向中心軸線逐漸減少。
當回流導體靠近時,它們的場向量相加。如圖1,兩根流過相反電流的導線,它們中間的磁場疊加,磁場強度最強。而在兩導線外側,兩磁場相互抵消,磁場強度很弱。
圖1
現在來看兩根矩形截面的導線(圖2),它們相鄰且截面積相同,兩根導線流過相反的電流iA和iB。在兩導線之間,磁場因方向相同而加強;而在兩導線外側,磁場因相反而抵消,磁場很弱,或為0。在導線內部,不僅處于自身的電流磁場中,而且還處于相鄰導線產生的磁場中,磁場由兩導線外側向內側逐漸加強,到達導線的內表面時,磁場最強。
圖2
圖3
若兩根導線的厚度a大于穿透深度△,當它們流過方向相反、大小相等的高頻電流iA和iB時,流過導體A的電流iA產生的磁場ΦA會穿過導體B,在導體B中產生渦流iAB。
在導體B中,靠近A一邊的渦流與iB方向一致,相互疊加;而在遠離A一邊的渦流,方向與iB相反,相互抵消。同理,導線A中的電流同樣會受到電流iB產生的磁場影響,使電流在靠近導線B的一邊流通。這樣,相鄰導體中的電流擠在相互接近的一邊流通。這就是鄰近效應。
如果兩導體間的距離w很近(圖3),鄰近效應使得電流在導線相鄰的內側表面流通(圖中+和·表示電流方向),磁場集中在兩導線之間。而在導線的外側,既沒有電流,也沒有磁場——合成磁場為0,沒有磁場地方不存儲能量,能量主要存儲在導線之間。如果導線寬度b>>w,單位長度上的電感為
式中:
N=1——匝數
l(小寫L)——導電帶料的長度(cm)
b一帶料的寬度(cm)
w一導線間距離 (cm)
若忽略外磁場的能量,單位長度兩導線間存儲的能量為
式中:
I(大寫i)——導電帶料流過的電流
H——導線之間的磁場強度。
可見,如果導線寬度越窄 (b變小),存儲能量越大。根據上式比較圖4中幾種導線的排列可以看到,由于鄰近效應,電流集中在導線之間相鄰的邊緣上,b越小,表面間的磁場強度越強。
如果兩導線距離w相同、兩導線電流數值相等,圖4(a)導線寬度比圖4(c) 寬,根據上式可見,導線間存儲的能量與導線的寬度成反比。所以,圖4(c)比圖4(a)存儲更多的能量,導線電感也更大。
鄰近效應也使得圖4(c)導線的有效截面積大幅度減少,故損耗最大。為減少分布電感,圖4 (a)最好,圖4(b)次之,圖4(c)最差。
圖4
因此,在布置印刷電路板導線時,流過高頻電流的導線與回流導線分布在上下層最好。平行靠近放置在同一層最差,即使導線很寬,實際上僅在導線靠近的邊緣有高頻電流流通,損耗很大,而且層的厚度不應當超過穿透深度。
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