【電源設計小貼士26】:高頻導體的電流分布
發布時間:2013-02-26 責任編輯:hedyxing
【導讀】本次【電源設計小貼士】我們將研究自由空間及纏繞結構中導體的有效電阻。文中圖1顯示了第一個例子。其為自由空間中單條導線的橫截麵,其攜帶的是高頻電流。
ruguodianliuweizhiliu,zexianshiweibutongyansededianliumiduquanbuxiangtong。danshi,suizhepinlvdezengjia,dianliuchaodaotiwaibuyidong,ruhongsehechengsesuoshi。zhezhongyongjiqingkuangbeichengweiqufuxiaoying。tourushendubeidingyiweiwaibiaomiandaodianliumidujiangzhiwaibiaomiandianliumidu1/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。

圖1 高頻下電流向外表麵聚集
圖2顯xian示shi了le自zi由you空kong間jian中zhong扁bian平ping導dao體ti的de電dian流liu分fen布bu。它ta趨qu向xiang在zai窄zhai邊bian中zhong流liu動dong,而er非fei導dao體ti表biao麵mian都dou相xiang等deng。但dan是shi,它ta仍reng然ran具ju有you相xiang同tong的de滲shen透tou深shen度du。這zhe大da大da地di增zeng加jia了le電dian阻zu,因yin為wei導dao體ti的de大da部bu分fen都dou具ju有you非fei常chang低di的de電dian流liu密mi度du。

圖2 電流集中於滲透深度導體端附近
為了繞過扁平導體的電流分布問題,通常將其直接放置在第二導體或接地層上麵,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體的鄰近表麵。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體寬度(而非圖2所示的滲透深度和導體厚度)為邊界的區域中。因此,這些導體的 交流電阻遠低於自由空間的情況。

圖3 反向電流拉至鄰近表麵
圖4顯示了一個層纏繞結構的橫截麵。其中,最上麵兩個導體(3和4)攜帶相同方向的相同電流,而最下麵兩個(1和2)攜帶與上麵各層方向相反的相等電流。這可以代表2-2匝數比變壓器的層。如前麵例子所述,繞組的電流被吸取至相對麵。然而,出現了一種有趣的現象。在繞組1和4中,電流被吸取至內表麵,它在方向相反的繞組2和3上引起電流。繞組2和3的(de)總(zong)電(dian)流(liu)正(zheng)以(yi)反(fan)向(xiang)流(liu)動(dong),因(yin)此(ci)內(nei)表(biao)麵(mian)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)更(geng)大(da)。這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)被(bei)稱(cheng)為(wei)鄰(lin)近(jin)效(xiao)應(ying),其(qi)會(hui)使(shi)高(gao)頻(pin)工(gong)作(zuo)的(de)層(ceng)結(jie)構(gou)出(chu)現(xian)問(wen)題(ti)。解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)重(zhong)新(xin)安(an)排(pai)導(dao)體(ti)疊(die)放(fang),對(dui)繞(rao)組(zu)交(jiao)錯(cuo)以(yi)讓(rang)電(dian)流(liu)在(zai)兩(liang)端(duan)以(yi)正(zheng)確(que)方(fang)向(xiang)流(liu)動(dong),而(er)非(fei)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)同(tong)向(xiang)電(dian)流(liu)的(de)兩(liang)個(ge)鄰(lin)近(jin)層(ceng)繞(rao)組(zu)。

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,用於計算不同厚度和層結構導體的交流電阻增加情況。圖5顯示了其結果。曲線圖的X軸將層厚度標準化為滲透深度,而Y軸表明標準化為直流電阻的交流電阻。根據繞組中層的數目,繪製出這些曲線。一旦導體厚度接近趨膚深度,合理AC/DC比的層數便變少。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,並且電阻增加遠遠小於單層情況。

圖5 Dowell說明了高損耗層纏繞結構的情況
總之,隨著頻率增加,導體的電流分布會急劇變化。在自由空間中,相比扁平導體, 圓形導體在高頻下電阻更低。但是,同接地層一起使用時,或者其位於攜帶返回電流的導體附近時,扁平導體則更佳。
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