电磁兼容（EMC）：趋肤效应在PCB设计中的应用详解

我们经常会听到这样一种论述：高频信号在导体中传输时，因为趋肤效应高频电流主要集中在导体的表面，如下图示。那在PCB设计中又如何合理地应用趋肤效应做到更好的EMC设计呢？这里将跟大家详细聊聊。

1.传输线的损耗

信号在传输线的传输过程中，肯定会存在传输损耗，除非采用的是超导体。传输线损耗分两种：

导体损耗：表现为电阻。介质损耗：表现为电导。

更通俗的讲导体损耗是直流电阻损耗，介质损耗是交流阻抗损耗。因此在传输线的不同深度其阻抗表现也不一样，表面阻抗比深度阻抗更小，这便用趋肤深度来说明。同时这也是高频信号走最小电感路径说法一个道理。

2.趋肤深度

趋肤深度（Skin Depth）是指在导体中，交流电或交变电磁场作用下，电流密度随着距离导体表面深度的增加而指数级递减，直到达到表面电流密度的1/e（约36.8%）处的距离。这里需要重点关注的是：当某个高频信号在PCB走线上传输达到其趋肤深度时，只是电流密度下降为表面的36.8%，而不是0。

趋肤深度与导体的电导率、磁导率以及交流电的频率有关。其计算公式为：

其中：

• δ是趋肤深度；
• ω是角频率，ω=2πfω=2πf，f 是交流电信号的频率；
• μ是导体的相对磁导率，对于非铁磁性材料，通常接近于自由空间的磁导率 μ0；μ0​=4π×10−7 亨利/米。
• σ是导体的电导率。铜的电导率：在20℃时大约为58 × 10^6 S/m。

3.不同信号频率的趋肤深度

根据以上公式，我们可以计算出不同信号频率的趋肤深度，如下面表示

在常规的PCB铜厚是1盎司，也即36μm，而一半的厚度是18μm。从上表中可以很明显的看到，当信号频率大于10MHz后，在厚度方向上才开始有趋肤效应。而PCB走线宽度10mil则为0.254mm远远大于μm级别。因此在频率大于1MHz时，PCB走线横向上便存在趋肤效应。对于民用电子产品，所关注的EMC频率为150kHz~1GHz，这也就意味着绝大部分高频信号在PCB走线中都存在趋肤效应。这也要求我们在PCB设计时，需要对走线设计考虑高频趋肤效应。

4.典型案例

最典型的设计案例便是PCB的走线开槽设计。如下图示，电解电容的引脚处开槽设计。而共模电感引脚未开槽设计。从图中可看出，PCB走线肯定大于10mil，也就存在高频趋肤效应。因此高频信号的大部分电流将从PCB外表层走，而未经过共模电感，这也将大大降低了共模电感对高频信号的滤除效果。正确的做法应该是像电解电容引脚处那样做开槽设计，这样可以保证高频信号的电流基本都经过共模电感。类似的对高频小电容走线设计也是如此。

但这种开槽需求注意线宽一定要满足电流大小设计，否则一味的满足EMC设计原则而忽略了基本性能原则是不行的。

5.总结

对于10mil走线的PCB，频率大于1MHz便存在趋肤效应，因此在走线满足电流大小和散热的基础上，滤波元器件管脚不要额外铺铜，或采用V槽设计。

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