趨膚效應(yīng)對(duì)PCB高頻板設(shè)計(jì)DDR繞線等長(zhǎng)的影響

      很多同行來(lái)問(wèn)什么是趨膚效應(yīng)，趨膚效應(yīng)應(yīng)該是附在表面，為什么變成了附在線路橫截面的底面？下面就和小易，一起具體了解下趨膚效應(yīng)。

進(jìn)入高頻以后就不一樣了，就像咱們1000米跑步，大家都知道內(nèi)側(cè)的距離最短，都會(huì)爭(zhēng)搶著去跑道的內(nèi)側(cè)，這個(gè)時(shí)候就無(wú)法保持原來(lái)整齊的隊(duì)

 
形了。電子也是一樣的，它就像賽車(chē)手一樣，很聰明的自動(dòng)尋找內(nèi)側(cè)的最短路徑，如下圖中綠色的路徑，這樣就造成了實(shí)際的路徑長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100mil, 彎曲的部分越多，實(shí)際的路徑就越短。

 

 

 

       趨膚效應(yīng)也稱(chēng)集膚效應(yīng)，英文術(shù)語(yǔ)是Skin effection,它是指在電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于導(dǎo)體與其上建立的電磁場(chǎng)之間的相互作用，使電流集中到導(dǎo)體橫截面的表面的現(xiàn)象。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，而導(dǎo)體內(nèi)部實(shí)際上電流較小。

        趨膚效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)體的電阻增加，進(jìn)而增加了其損耗功率。趨膚效應(yīng)與交流電的頻率有關(guān)，頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。在高頻情況下，電流幾乎完全從導(dǎo)體表面流過(guò)。         光從概念來(lái)講，可能是一頭霧水，一起來(lái)看下實(shí)例，下圖是一個(gè)高頻Cable線的橫截面剖視圖，在高頻的情況下，電流只在陰影部分流通，中間空白部分實(shí)際上是沒(méi)有任何電流通過(guò)的。

 

 

        我們學(xué)過(guò)物理的都知道，導(dǎo)線的電阻計(jì)算公式為：          R＝ρ×L/S （ρ為導(dǎo)體電阻率，L為導(dǎo)體長(zhǎng)度，S為導(dǎo)體橫截面積）；
          其中ρ和L是不變的，在趨膚效應(yīng)作用下，S實(shí)際上為上圖中陰影部分的面積，這樣就S值就縮小，造成了導(dǎo)線阻值R的增大。同時(shí)小易使用了Sigrity來(lái)仿真出了5GHz的頻率下的一個(gè)云圖，如下圖所示，紅色部分是電流大都在圓弧的外側(cè)。

 

 

         因此，對(duì)于高頻信號(hào)線來(lái)說(shuō)，中間的金屬部分實(shí)際上沒(méi)有存在的必要，這也是很多高頻的Cable連接線都使用的空心電纜的原因，同時(shí)也節(jié)省了金屬材料。

          趨附效應(yīng)有個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式如下，頻率越高，透入深度值就越小；

 

      上面所說(shuō)的趨膚效應(yīng)是單根高頻線，與其他線隔離的一個(gè)狀態(tài)，如果在線路板中，高頻信號(hào)線是處在一個(gè)與很多信號(hào)交織的過(guò)程，那這樣趨膚效應(yīng)會(huì)發(fā)生什么變化呢？

      如下圖所示，在電路板中，信號(hào)組成了一個(gè)由正到負(fù)的回路，在高頻線的下方，EDA工程師需要添加用于回流的GND信號(hào)，這樣可以使信號(hào)的回流路徑盡量短。由于正負(fù)電荷的吸引，會(huì)使雙方的電荷集中到絕緣層FR4的兩個(gè)面上，不再是集中到導(dǎo)線的4個(gè)表面上。

 

 

       這樣，到了實(shí)際的電路板中，趨膚效應(yīng)就變成了趨附效應(yīng) ，導(dǎo)線的上表面是沒(méi)有電流的。在一些電路中，比如汽車(chē)電子，通過(guò)加厚銅箔到4Oz厚度來(lái)增大導(dǎo)線的同流能力，但發(fā)現(xiàn)到了高頻電路里，這種方式是無(wú)效的，不管銅箔有多厚，實(shí)際有電流的就那么厚一點(diǎn)，就像修路一樣，路修的再寬，車(chē)子不走也沒(méi)用。

      趨附效應(yīng)是一個(gè)3維的立體效應(yīng)，對(duì)上下異面信號(hào)有影響，同時(shí)在導(dǎo)線繞線時(shí)也對(duì)路徑在同面有影響，這里就不過(guò)多談?wù)摿恕?/P>