Skin efekat je jedan od najosnovnijih fizičkih fenomena u visokofrekventnom prijenosu PCB signala. Potpuno mijenja obrazac distribucije struje u usmjeravanju bakrene folije, direktno utječući na gubitak kola, stabilnost impedanse i integritet signala. To je ključni faktor koji se mora pažljivo kontrolisati u visokofrekventnom dizajnu PCB-a.
Osnovni fizički mehanizam efekta kože
Osnovna definicija: Kada se naizmjenična struja širi u vodiču, na njega djeluje elektromagnetna indukcija, a struja će se koncentrirati na površini provodnika, pri čemu skoro da nema struje koja prolazi kroz središnju oblast provodnika.
Snažna korelacija između frekvencije i dubine kože: što je frekvencija viša, to je tanji "sloj kože" gdje se struja akumulira. Uzimajući za primjer bakrene provodnike, dubina kože signala od 100MHz je oko 6,6 μm, dok ukupna debljina konvencionalne PCB-ove bakarne folije od 1 oz dostiže 35 μm. Struja visoke frekvencije prenosi se samo u izuzetno tankom području površine bakarne folije, a velika većina unutrašnje površine bakarne folije je u stanju mirovanja.
Referenca za dubinu bakrene kože na različitim frekvencijama: 0,1175 inča na 10Hz, 0,027 inča na 10kHz, 0,0027 inča na 10MHz i samo 0,00027 inča na 10GHz.
Specifičan uticaj na performanse visokofrekventnih PCB kola
Značajno povećanje gubitka naizmjenične struje provodnika: efektivna provodna površina poprečnog-poprečnog presjeka struje je u velikoj mjeri smanjena, otpornost ožičenja na naizmjeničnu struju je značajno povećana, a više energije se pretvara u toplotnu energiju tokom prijenosa signala, što rezultira kontinuiranim slabljenjem visoko-amplitude signala visoke frekvencije i lakom pojavom grešaka na kraju prijema{2wi} dugog vremena.
Podrivanje logike dizajna širine nisko{0}}niskofrekventne linije: udvostručavanje širine linije, udvostručavanje površine poprečnog-poprečnog presjeka ožičenja i prepolovljenje DC otpora u nisko-scenarijama; Međutim, pod dejstvom skin efekta, razlika u efektivnoj provodnoj površini između širokih i uskih tragova je značajno smanjena, a smanjenje otpora je zanemarljivo. Tragovi koji se slijepo šire ne mogu linearno poboljšati strujni kapacitet i također će izgubiti prostor za raspored.
Pokretanje fluktuacija impedanse i dodatnog zračenja: Kada dođe do nagle promjene širine žice i diskontinuiranih uglova, distribucija struje kože će biti poremećena, što će rezultirati dodatnim gubicima vrtložnih struja, dok se istovremeno uništava kontinuitet impedanse dalekovoda, uzrokujući refleksiju signala i povećavajući nepotrebno zračenje, smanjujući elektromagnetske performanse.
Ometanje efekta poništavanja diferencijalnog signala: Skin efekat će pojačati elektromagnetno zračenje jedne žice. Ako dvije žice diferencijalnog para imaju različite širine linija, gubitak i faza dva signala će pokazati značajna odstupanja, a efekat poništavanja elektromagnetskog zračenja koji je prvobitno postignut simetričnim dizajnom će biti znatno smanjen.
Ciljani pravac optimizacije u visokofrekventnom dizajnu PCB-a
Dajte prednost upotrebi debelih bakarnih limova: U scenarijima visoke-frekvencije i jake struje, korištenje bakrenih limova od 2 oz i 3 oz sa standardnim širinama linija pruža bolje električne performanse od tankog bakra od 1 oz sa ultra širokim ožičenjem. Može značajno povećati efektivnu provodnu površinu sloja kože i smanjiti otpor naizmjenične struje uz uštedu prostora za raspored.
Strogo kontrolirajte geometrijsku tačnost ožičenja: uspostavite-specifikacije visoke preciznosti graviranja, kontrolirajte ukupnu grešku širine linije unutar +/-0,0007 inča, koristite ugao od 45 stepeni ili prijelaz luka za uglove ožičenja, izbjegavajte nagle promjene u širini linije zbog oštrog sužavanja i osigurajte kontinuiranu i glatku širinu dijela.
Optimizirajte površinsko stanje ožičenja: Usvojite površinsku obradu bakrene folije niske hrapavosti kako biste izbjegli tradicionalnu hrapavu bakrenu zupčastu strukturu koja produžava put prijenosa visoko{0}}elektrona i smanjila gubitak energije uzrokovan mikro trenjem.
Diferencijalno ožičenje je strogo simetrično: osiguravajući da su širina linije, dužina i okolno bakreno okruženje diferencijalnog para dvije žice potpuno konzistentni, tolerancija širine linije je kontrolirana unutar vrlo malog raspona, održavajući gubitak i faznu sinkronizaciju dva signala i osiguravajući efekat poništavanja diferencijala.