趋肤效应的通俗理解与集肤深度计算

趋肤效应的通俗理解与集肤深度计算

趋肤效应是交流电在导体中传输时的一种物理现象，表现为电流集中在导体表面附近流动。这种现象对电路设计，尤其是高频电路设计有着重要影响。本文将从趋肤效应的原理出发，介绍集肤深度的计算方法，并探讨如何抑制趋肤效应的影响。

一、趋肤效应

导线内部和导线外部的磁力线圈都能影响自感。为了区分它们，我们把自感分为内部自感和外部自感。内部磁力线圈是穿过导线金属并受金属影响的那部分。圆导线的外部磁力线圈并不穿过导线，也不会随频率而变化。但是，由于导线内部的电流分布随频率而变化，所以导线内部的磁力线圈也将发生变化。

当导线中流过单位安培电流时，与电流分布在外表面相比，电流集中在导线中心时有更多的磁力线和更大的自感。根据XL = 2πfL，其中，XL电感阻抗(单位Ω)，f频率(单位Hz)，L自感(单位H)。故自感越大，其电感阻抗越大。

现在，转向交流。这时的电流是正弦波，任何频率分量都是沿最低的阻抗路径传播。电感最大的电流路径，其阻抗也最大；随着频率的升高，高电感路径的阻抗会变得更大。频率越高，电流越倾向于选择电感较低的路径，即趋向于导线外表面的路径。

一般而言，频率越高，电流越趋向于在导线的外表面上流动。在某一给定频率，从导线内部到外部表面有特定的电流分布。这取决于电阻性阻抗与感性阻抗的相对大小。电流密度越集中，电阻性阻抗上的压降就越高。但是频率越高，内部路径和外部路径感性阻抗的差别就越大。这样的权衡意味着电流分布随频率而变化，且在高频时，全部电流会趋向于导线表面的那一薄层。

二、集肤深度计算

对于实际导线中的电流分布，只有为数不多的一些几何结构有很好的近似，圆柱体是其中之一。对于每个频率点，从导线表面到导线中心，电流分布以指数下降，如下图所示。

在这种几何结构中，可以把电流层近似成有固定厚度δ的均匀分布，并称该等效厚度为集肤深度，它取决于频率、金属的电导率和导磁率，即

其中，δ集肤深度(单位m)，σ金属的电导率(单位S/m，即Siemens/m)，μ0自由空间的导磁率{4π*10^(-7)H/m}，μr导线的相对导磁率，f正弦波频率(单位Hz)。

铜的电导率为σ = 5.6*10^7S/m，相对导磁率μr = 1，它的集肤深度近似为：

其中，δ集肤深度(单位μm)，f正弦波频率(单位MHz)。在1MHz时，铜的集肤深度为66μm。

对于1盎司铜线，当电流正弦波频率高于10MHz时，电流分布取决于集肤深度而不是横截面的结构。当低于10MHz时电流是均分布的，且与频率无关。当集肤深度小于横截面几何厚度时，电流分布、电阻和回路电感开始与频率有关。

集肤深度受限制时铜线中的电流分布
当电路板上的铜线为1盎司或者几何厚度为34μm时，若频率≥10MHz，则导线中的电流不再占用线条的整个横截面，趋肤效应在电流分布中起主导作用。

三、趋肤效应抑制

1、选择合适的导体材料和表面处理技术(镀银或镀金)，可以降低导体表面电阻，减少信号损耗。

2、多股细线导体可以有效减缓趋肤效应的影响，增加有效传输区域。

3、通过优化电路的封装和布局方式，减小信号路径长度和电流环路面积，可以降低趋肤效应的影响。