趨膚效應對PCB高頻板設計DDR繞線等長的影響

      很多同行來問什麽(me) 是趨膚效應，趨膚效應應該是附在表麵，為(wei) 什麽(me) 變成了附在線路橫截麵的底麵？下麵就和小易，一起具體(ti) 了解下趨膚效應。

進入高頻以後就不一樣了，就像咱們(men) 1000米跑步，大家都知道內(nei) 側(ce) 的距離最短，都會(hui) 爭(zheng) 搶著去跑道的內(nei) 側(ce) ，這個(ge) 時候就無法保持原來整齊的隊

 
形了。電子也是一樣的，它就像賽車手一樣，很聰明的自動尋找內(nei) 側(ce) 的最短路徑，如下圖中綠色的路徑，這樣就造成了實際的路徑長度要遠遠小於(yu) 100mil, 彎曲的部分越多，實際的路徑就越短。

 

 

 

       趨膚效應也稱集膚效應，英文術語是Skin effection,它是指在電流流過導體(ti) 時，由於(yu) 導體(ti) 與(yu) 其上建立的電磁場之間的相互作用，使電流集中到導體(ti) 橫截麵的表麵的現象。具體(ti) 來說，當導體(ti) 中有交流電或者交變電磁場時，導體(ti) 內(nei) 部的電流分布不均勻，電流集中在導體(ti) 外表的薄層，越靠近導體(ti) 表麵，電流密度越大，而導體(ti) 內(nei) 部實際上電流較小。

        趨膚效應導致導體的電阻增加，進而增加了其損耗功率。趨膚效應與交流電的頻率有關，頻率越高，趨膚效應越顯著。在高頻情況下，電流幾乎完全從導體表麵流過。         光從概念來講，可能是一頭霧水，一起來看下實例，下圖是一個高頻Cable線的橫截麵剖視圖，在高頻的情況下，電流隻在陰影部分流通，中間空白部分實際上是沒有任何電流通過的。

 

 

        我們學過物理的都知道，導線的電阻計算公式為：          R＝ρ×L/S （ρ為導體電阻率，L為導體長度，S為導體橫截麵積）；
          其中ρ和L是不變的，在趨膚效應作用下，S實際上為上圖中陰影部分的麵積，這樣就S值就縮小，造成了導線阻值R的增大。同時小易使用了Sigrity來仿真出了5GHz的頻率下的一個雲圖，如下圖所示，紅色部分是電流大都在圓弧的外側。

 

 

         因此，對於(yu) 高頻信號線來說，中間的金屬部分實際上沒有存在的必要，這也是很多高頻的Cable連接線都使用的空心電纜的原因，同時也節省了金屬材料。

          趨附效應有個(ge) 經驗公式如下，頻率越高，透入深度值就越小；

 

      上麵所說的趨膚效應是單根高頻線，與(yu) 其他線隔離的一個(ge) 狀態，如果在線路板中，高頻信號線是處在一個(ge) 與(yu) 很多信號交織的過程，那這樣趨膚效應會(hui) 發生什麽(me) 變化呢？

      如下圖所示，在電路板中，信號組成了一個由正到負的回路，在高頻線的下方，EDA工程師需要添加用於回流的GND信號，這樣可以使信號的回流路徑盡量短。由於正負電荷的吸引，會使雙方的電荷集中到絕緣層FR4的兩個麵上，不再是集中到導線的4個表麵上。

 

 

       這樣，到了實際的電路板中，趨膚效應就變成了趨附效應 ，導線的上表麵是沒有電流的。在一些電路中，比如汽車電子，通過加厚銅箔到4Oz厚度來增大導線的同流能力，但發現到了高頻電路裏，這種方式是無效的，不管銅箔有多厚，實際有電流的就那麽厚一點，就像修路一樣，路修的再寬，車子不走也沒用。

      趨附效應是一個(ge) 3維的立體(ti) 效應，對上下異麵信號有影響，同時在導線繞線時也對路徑在同麵有影響，這裏就不過多談論了。