電源設(shè)計(jì)小貼士 26：高頻導(dǎo)體的電流分布

本《電源設(shè)計(jì)小貼士》中，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。圖 1 顯示了第一個(gè)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(dòng)，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(gè)點(diǎn)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(dòng)，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?yàn)閷?dǎo)體的大部分都具有非常低的電流密度。圖 2 電流集中于滲透深度導(dǎo)體端附近為了繞過(guò)扁平導(dǎo)體的電流分布問(wèn)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(gè)示例，例子中反向電流相互吸拉至兩個(gè)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(gè)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(yuǎn)低于自由空間的情況。圖 3 反向電流拉至鄰近表面圖 4 顯示了一個(gè)層纏繞結(jié)構(gòu)的橫截面。其中，最上面兩個(gè)導(dǎo)體（3 和 4）攜帶相同方向的相同電流，而最下面兩個(gè)（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(duì)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(dòng)，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(huì)使高頻工作的層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的一種方法是重新安排導(dǎo)體疊放，對(duì)繞組交錯(cuò)以讓電流在兩端以正確方向流動(dòng)，而非使用具有同向電流的兩個(gè)鄰近層繞組。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(jì)算不同厚度和層結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的交流電阻增加情況（請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn) 1）。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(cuò)，并且電阻增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單層情況。圖 5 Dowell 說(shuō)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(huì)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(shí)，或者其位于攜帶返回電流的導(dǎo)體附近時(shí)，扁平導(dǎo)體則更佳。下次，我們將討論如何使用下垂法并聯(lián)電源，敬請(qǐng)期待。如欲了解本文章內(nèi)容及其他電源解決方案的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：www.ti.com.cn/power。參考文獻(xiàn)1）《變壓器繞組中渦電流的影響》，作者：P.L. Dowell，1966 年 8 月《IEEE 會(huì)刊》第 113 卷第 8 號(hào)第 1387 頁(yè)-1384 頁(yè)。2）《多輸出降壓穩(wěn)壓器的耦合濾波器電感》，作者：Lloyd Dixon，TI，第 3 節(jié)第 4 頁(yè)。