趋肤效应(集肤效应)skin effect:
高频电流流过导体时,电流会趋向于导体表面分布,越接近导体表面电流密度越大。
导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。
导线通有高频交变电流时,有效截面的减少可以用穿透深度来表示。
穿透深度的意义是:由于趋肤效应,交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度,计算公式为
从上面公式可知:
趋肤深度与频率、电导率的开方成反比,也就是说频率、电导率越高,趋肤深度越小。趋肤效应的一些影响:
A:导致导线的等效电阻增大,损耗增大。相同截面积,表面积越大,等效电阻越小。
应用:
利用相互绝缘的多根细导线代替单根实心导线,可以改善降低导线的等效电阻。
材料表面镀银或镀金,降低表面电阻,可以改善导线的等效电阻。
实心导线改用空心导线,导电效果基本一样,可以节省材料。
从上面表格可知:
对于 50Hz 的工频交流电,导体为铜,其趋肤深度约8mm,这样对于厚度大于 16的铜线,其中心处电流密度非常小,因此用于传输工频电流的铜线厚度一般小于12mm。
铜箔:
分电解铜箔(ED 铜)和压延铜箔(THE 铜)。
铜箔有一面光滑,称为光面(Drum Side),另一面是粗糙的结晶面,称为毛面(Matte Side)。毛面是印制电路的电路表面,毛面是与 PCB 基材结合的面。
电解铜箔:
常规铜箔(STD),反转铜箔(RTF),低/超低表面粗糙度铜箔(VLP/HVLP)
通过扫描电镜和金相显微镜可看出 STD、RTF 和 HVLP 铜箔(厚 0.5oz)的表面形貌:
STD 铜箔毛面粗糙度(Rz)约为 5um,光面(RA)粗糙度 3um;
RTF 铜箔毛面、光面粗糙度约3um;
HVLP铜箔光面、毛面粗糙度均在2um 以内。
从上面的公式计算可知:当频率达到 1GHz 时,其信号在导线表面的传输厚度仅为 2.1um,如果导体是 STD,信号仅在粗糙度的厚度范围传输,将导致很严重的反射问题,并导致信号传输路径变长,损耗增加。
传输线损耗主要包括介质损耗和导体损耗两个部分。
介质损耗:绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗。这主要与PCB介质的损耗因子有关。
导体损耗:导体不理想,存在电阻,在电流通过时发热而引起的损耗,这主要与PCB导体的趋肤效应、粗糙度和导电率(电阻率)有关系。
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