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【電源設(shè)計小貼士26】:高頻導(dǎo)體的電流分布

發(fā)布時間:2013-02-26 責(zé)任編輯:hedyxing

【導(dǎo)讀】本次【電源設(shè)計小貼士】我們將研究自由空間及纏繞結(jié)構(gòu)中導(dǎo)體的有效電阻。文中圖1顯示了第一個例子。其為自由空間中單條導(dǎo)線的橫截面,其攜帶的是高頻電流。

如果電流為直流,則顯示為不同顏色的電流密度全部相同。但是,隨著頻率的增加,電流朝導(dǎo)體外部移動,如紅色和橙色所示。這種擁擠情況被稱為趨膚效應(yīng)。透入深度被定義為外表面到電流密度降至外表面電流密度1/e的那個點的距離。就銅而言,深度為:



其中f單位為兆赫,而深度單位為cm。

高頻下電流向外表面聚集
圖1 高頻下電流向外表面聚集

圖2顯示了自由空間中扁平導(dǎo)體的電流分布。它趨向在窄邊中流動,而非導(dǎo)體表面都相等。但是,它仍然具有相同的滲透深度。這大大地增加了電阻,因為導(dǎo)體的大部分都具有非常低的電流密度。

電流集中于滲透深度導(dǎo)體端附近
圖2 電流集中于滲透深度導(dǎo)體端附近

為了繞過扁平導(dǎo)體的電流分布問題,通常將其直接放置在第二導(dǎo)體或接地層上面,它們的電流大小相等而方向相反。圖3顯示了一個示例,例子中反向電流相互吸拉至兩個導(dǎo)體的鄰近表面。滲透深度保持相同。電流主要都包含在一個以滲透深度和導(dǎo)體寬度(而非圖2所示的滲透深度和導(dǎo)體厚度)為邊界的區(qū)域中。因此,這些導(dǎo)體的 交流電阻遠低于自由空間的情況。

反向電流拉至鄰近表面
圖3 反向電流拉至鄰近表面

圖4顯示了一個層纏繞結(jié)構(gòu)的橫截面。其中,最上面兩個導(dǎo)體(3和4)攜帶相同方向的相同電流,而最下面兩個(1和2)攜帶與上面各層方向相反的相等電流。這可以代表2-2匝數(shù)比變壓器的層。如前面例子所述,繞組的電流被吸取至相對面。然而,出現(xiàn)了一種有趣的現(xiàn)象。在繞組1和4中,電流被吸取至內(nèi)表面,它在方向相反的繞組2和3上引起電流。繞組2和3的總電流正以反向流動,因此內(nèi)表面上的電流密度更大。這種現(xiàn)象被稱為鄰近效應(yīng),其會使高頻工作的層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題。解決這一問題的一種方法是重新安排導(dǎo)體疊放,對繞組交錯以讓電流在兩端以正確方向流動,而非使用具有同向電流的兩個鄰近層繞組。

鄰近繞組的反向電流極大地增加了損耗
圖4 鄰近繞組的反向電流極大地增加了損耗

Dowell1建立了一種分析模型,用于計算不同厚度和層結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的交流電阻增加情況。圖5顯示了其結(jié)果。曲線圖的X軸將層厚度標(biāo)準(zhǔn)化為滲透深度,而Y軸表明標(biāo)準(zhǔn)化為直流電阻的交流電阻。根據(jù)繞組中層的數(shù)目,繪制出這些曲線。一旦導(dǎo)體厚度接近趨膚深度,合理AC/DC比的層數(shù)便變少。另外,需要注意的是1/2層的低曲線。在這種情況下,繞組被交錯,并且電阻增加遠遠小于單層情況。

Dowell說明了高損耗層纏繞結(jié)構(gòu)的情況
圖5 Dowell說明了高損耗層纏繞結(jié)構(gòu)的情況

總之,隨著頻率增加,導(dǎo)體的電流分布會急劇變化。在自由空間中,相比扁平導(dǎo)體, 圓形導(dǎo)體在高頻下電阻更低。但是,同接地層一起使用時,或者其位于攜帶返回電流的導(dǎo)體附近時,扁平導(dǎo)體則更佳。
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