Skin-efekt je jedan od najtemeljnijih fizičkih fenomena u visokofrekventnom PCB prijenosu signala. Potpuno mijenja uzorak distribucije struje u usmjeravanju bakrene folije, izravno utječući na gubitak strujnog kruga, stabilnost impedancije i integritet signala. To je ključni čimbenik koji se mora pažljivo kontrolirati u- dizajnu PCB ploča visoke frekvencije.
Osnovni fizički mehanizam kožnog efekta
Osnovna definicija: Kada se izmjenična struja širi u vodiču, na nju djeluje elektromagnetska indukcija, a struja će se koncentrirati na površini vodiča, pri čemu gotovo da nema struje koja prolazi kroz središnje područje vodiča.
Jaka korelacija između frekvencije i dubine kože: Što je viša frekvencija, to je tanji "sloj kože" gdje se struja nakuplja. Uzimajući bakrene vodiče kao primjer, dubina sloja signala od 100 MHz je oko 6,6 μm, dok ukupna debljina konvencionalne bakrene folije od 1oz PCB-a doseže 35 μm. Struja visoke frekvencije prenosi se samo u iznimno tankom području površine bakrene folije, a velika većina unutarnjeg područja bakrene folije je u stanju mirovanja.
Referenca za dubinu sloja bakra 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.
Specifični utjecaj na performanse visokofrekventnih PCB sklopova
Značajno povećanje gubitka izmjenične struje u vodiču: efektivno vodljivo područje presjeka-struje znatno je smanjeno, otpor izmjenične struje ožičenja značajno je povećan, a više energije se pretvara u toplinsku energiju tijekom prijenosa signala, što rezultira kontinuiranim slabljenjem amplitude visoko-frekventnog signala i lakim pojavljivanjem grešaka na prijemnom kraju nakon-ožičenja na velikim udaljenostima.
Podrivanje logike nisko{0}}frekventnog dizajna širine linije: udvostručenje širine linije, udvostručenje površine-presjeka ožičenja i prepolovljivanje istosmjernog otpora u scenarijima niske-frekventnosti; Međutim, pod učinkom skin efekta, razlika u učinkovitom vodljivom području između širokih i uskih tragova je značajno smanjena, a smanjenje otpora je zanemarivo. Slijepo širenje tragova ne može linearno poboljšati trenutni nosivi kapacitet i također će gubiti prostor za raspored.
Pokretanje fluktuacija impedancije i dodatnog zračenja: Kada dođe do iznenadne promjene u širini žice i diskontinuiranih kutova, distribucija površinske struje će biti poremećena, što će rezultirati dodatnim gubicima vrtložnih struja, istovremeno uništavajući kontinuitet impedancije prijenosne linije, uzrokujući refleksiju signala i povećavajući nepotrebno elektromagnetsko zračenje, smanjujući performanse EMC-a.
Ometanje učinka poništavanja diferencijalnog signala: Skin efekt pojačat će elektromagnetsko zračenje jedne žice. Ako dvije žice diferencijalnog para imaju različite širine linija, gubitak i faza dvaju signala pokazat će značajna odstupanja, a učinak poništavanja elektromagnetskog zračenja koji je izvorno postignut simetričnim dizajnom bit će znatno smanjen.
Ciljani smjer optimizacije u visokofrekventnom dizajnu tiskanih ploča
Dajte prednost korištenju debelih bakrenih limova: u scenarijima visoke-frekventnosti i velike struje, korištenje bakrenih limova debljine 2 oz i 3 oz sa standardnim širinama linija pruža bolje električne performanse od tankog bakra od 1 oz s ultra širokim ožičenjem. Može značajno povećati efektivno vodljivo područje površinskog sloja i smanjiti otpor izmjenične struje uz uštedu prostora za raspored.
Strogo kontrolirajte geometrijsku točnost ožičenja: uspostavite visoko{0}}precizne specifikacije graviranja, kontrolirajte ukupnu pogrešku širine linije unutar +/-0,0007 inča, koristite kut od 45 stupnjeva ili luk prijelaza za kutove ožičenja, izbjegavajte nagle promjene širine linije zbog oštrog sužavanja i osigurajte kontinuiranu i glatku širinu cijele sekcije ožičenja.
Optimizirajte stanje površine ožičenja: usvojite površinsku obradu bakrenom folijom niske hrapavosti kako biste izbjegli tradicionalnu grubu strukturu bakrenih zuba koja produljuje put prijenosa elektrona visoke-frekventnosti i smanjili gubitak energije uzrokovan mikrotrenjem.
Diferencijalno ožičenje je strogo simetrično: osiguravajući da su širina linije, duljina i okolno bakreno okruženje diferencijalnog para dviju žica potpuno dosljedni, tolerancija širine linije kontrolira se unutar vrlo malog raspona, održavajući gubitak i faznu sinkronizaciju dvaju signala i osiguravajući učinak poništavanja razlike.