電流的鄰近效應(yīng)原理解析

之前的文章已經(jīng)討論了單根孤立導(dǎo)線在通過高頻電流時，導(dǎo)線內(nèi)部的磁場對電流的影響（集膚效應(yīng)）。高頻時，導(dǎo)線外部磁場與直流或低頻磁場一樣，由導(dǎo)線表面向徑向方向輻射開來。電流在外表面流通，電流密度從導(dǎo)線表面向中心軸線逐漸減少。

當(dāng)回流導(dǎo)體靠近時，它們的場向量相加。如圖1，兩根流過相反電流的導(dǎo)線，它們中間的磁場疊加，磁場強度最強。而在兩導(dǎo)線外側(cè)，兩磁場相互抵消，磁場強度很弱。

圖1

現(xiàn)在來看兩根矩形截面的導(dǎo)線（圖2），它們相鄰且截面積相同，兩根導(dǎo)線流過相反的電流iA和iB。在兩導(dǎo)線之間，磁場因方向相同而加強；而在兩導(dǎo)線外側(cè)，磁場因相反而抵消，磁場很弱，或為0。在導(dǎo)線內(nèi)部，不僅處于自身的電流磁場中，而且還處于相鄰導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場中，磁場由兩導(dǎo)線外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸加強，到達導(dǎo)線的內(nèi)表面時，磁場最強。

圖2

圖3

若兩根導(dǎo)線的厚度a大于穿透深度△，當(dāng)它們流過方向相反、大小相等的高頻電流iA和iB時，流過導(dǎo)體A的電流iA產(chǎn)生的磁場ΦA(chǔ)會穿過導(dǎo)體B，在導(dǎo)體B中產(chǎn)生渦流iAB。

在導(dǎo)體B中，靠近A一邊的渦流與iB方向一致，相互疊加；而在遠離A一邊的渦流，方向與iB相反，相互抵消。同理，導(dǎo)線A中的電流同樣會受到電流iB產(chǎn)生的磁場影響，使電流在靠近導(dǎo)線B的一邊流通。這樣，相鄰導(dǎo)體中的電流擠在相互接近的一邊流通。這就是鄰近效應(yīng)。

如果兩導(dǎo)體間的距離w很近(圖3)，鄰近效應(yīng)使得電流在導(dǎo)線相鄰的內(nèi)側(cè)表面流通(圖中+和·表示電流方向)，磁場集中在兩導(dǎo)線之間。而在導(dǎo)線的外側(cè)，既沒有電流，也沒有磁場——合成磁場為0，沒有磁場地方不存儲能量，能量主要存儲在導(dǎo)線之間。如果導(dǎo)線寬度b>>w，單位長度上的電感為

式中:

N=1——匝數(shù)

l（小寫L）——導(dǎo)電帶料的長度(cm)

b一帶料的寬度(cm)

w一導(dǎo)線間距離 (cm)

若忽略外磁場的能量，單位長度兩導(dǎo)線間存儲的能量為

式中:

I(大寫i)——導(dǎo)電帶料流過的電流

H——導(dǎo)線之間的磁場強度。

可見，如果導(dǎo)線寬度越窄 (b變小)，存儲能量越大。根據(jù)上式比較圖4中幾種導(dǎo)線的排列可以看到，由于鄰近效應(yīng)，電流集中在導(dǎo)線之間相鄰的邊緣上，b越小，表面間的磁場強度越強。

如果兩導(dǎo)線距離w相同、兩導(dǎo)線電流數(shù)值相等，圖4(a)導(dǎo)線寬度比圖4(c) 寬，根據(jù)上式可見，導(dǎo)線間存儲的能量與導(dǎo)線的寬度成反比。所以，圖4(c)比圖4(a)存儲更多的能量，導(dǎo)線電感也更大。

鄰近效應(yīng)也使得圖4(c)導(dǎo)線的有效截面積大幅度減少，故損耗最大。為減少分布電感，圖4 (a)最好，圖4(b)次之，圖4(c)最差。

圖4

因此，在布置印刷電路板導(dǎo)線時，流過高頻電流的導(dǎo)線與回流導(dǎo)線分布在上下層最好。平行靠近放置在同一層最差，即使導(dǎo)線很寬，實際上僅在導(dǎo)線靠近的邊緣有高頻電流流通，損耗很大，而且層的厚度不應(yīng)當(dāng)超過穿透深度。