之前的文章已经讨论了单根孤立导线在通过高频电流时,导线内部的磁场对电流的影响(集肤效应)。高频时,导线外部磁场与直流或低频磁场一样,由导线表面向径向方向辐射开来。电流在外表面流通,电流密度从导线表面向中心轴线逐渐减少。
当回流导体靠近时,它们的场向量相加。如图1,两根流过相反电流的导线,它们中间的磁场叠加,磁场强度最强。而在两导线外侧,两磁场相互抵消,磁场强度很弱。
图1
现在来看两根矩形截面的导线(图2),它们相邻且截面积相同,两根导线流过相反的电流iA和iB。在两导线之间,磁场因方向相同而加强;而在两导线外侧,磁场因相反而抵消,磁场很弱,或为0。在导线内部,不仅处于自身的电流磁场中,而且还处于相邻导线产生的磁场中,磁场由两导线外侧向内侧逐渐加强,到达导线的内表面时,磁场最强。
图2
图3
若两根导线的厚度a大于穿透深度△,当它们流过方向相反、大小相等的高频电流iA和iB时,流过导体A的电流iA产生的磁场ΦA会穿过导体B,在导体B中产生涡流iAB。
在导体B中,靠近A一边的涡流与iB方向一致,相互叠加;而在远离A一边的涡流,方向与iB相反,相互抵消。同理,导线A中的电流同样会受到电流iB产生的磁场影响,使电流在靠近导线B的一边流通。这样,相邻导体中的电流挤在相互接近的一边流通。这就是邻近效应。
如果两导体间的距离w很近(图3),邻近效应使得电流在导线相邻的内侧表面流通(图中+和·表示电流方向),磁场集中在两导线之间。而在导线的外侧,既没有电流,也没有磁场——合成磁场为0,没有磁场地方不存储能量,能量主要存储在导线之间。如果导线宽度b>>w,单位长度上的电感为
式中:
N=1——匝数
l(小写L)——导电带料的长度(cm)
b一带料的宽度(cm)
w一导线间距离 (cm)
若忽略外磁场的能量,单位长度两导线间存储的能量为
式中:
I(大写i)——导电带料流过的电流
H——导线之间的磁场强度。
可见,如果导线宽度越窄 (b变小),存储能量越大。根据上式比较图4中几种导线的排列可以看到,由于邻近效应,电流集中在导线之间相邻的边缘上,b越小,表面间的磁场强度越强。
如果两导线距离w相同、两导线电流数值相等,图4(a)导线宽度比图4(c) 宽,根据上式可见,导线间存储的能量与导线的宽度成反比。所以,图4(c)比图4(a)存储更多的能量,导线电感也更大。
邻近效应也使得图4(c)导线的有效截面积大幅度减少,故损耗最大。为减少分布电感,图4 (a)最好,图4(b)次之,图4(c)最差。
图4
因此,在布置印刷电路板导线时,流过高频电流的导线与回流导线分布在上下层最好。平行靠近放置在同一层最差,即使导线很宽,实际上仅在导线靠近的边缘有高频电流流通,损耗很大,而且层的厚度不应当超过穿透深度。
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