高频多层线圈的邻近效应分析及损耗计算

"邻近效应对多层线圈影响-single sensor imaging methods and applications for digital cameras" 在开关电源中，磁性元器件扮演着至关重要的角色，尤其是多层线圈的设计需要考虑邻近效应的影响。邻近效应是指在高频电流通过导线时，由于邻近导线间的相互作用，导致电流不再均匀分布在导体截面上，而是集中在导线的边缘。这种效应在多层线圈中尤为显著。 6.4.1 多层线圈的邻近效应分析 以一个初级(p)和次级(s)都是双层的变压器为例，导线的厚度大于穿透深度Δ。在高频工作状态下，邻近效应使得电流主要在靠近的导线边缘流通。例如，当电流流经第一层的外侧时，会在Δ宽度范围内形成磁场H1=N1I1/2l。当电流到达第二层时，如果第二层的外边没有电流，根据电磁感应定律，交变磁场H1会在第二层产生涡流，使得第二层外边缘产生与第一层内侧相同大小但方向相反的电流，以保持第二层中心的磁场为零。因此，第二层的外侧会流过与第一层内侧相等但方向相反的电流，而第二层内部则会有两倍于第一层的同向电流，总体上净电流与第一层相同。然而，这会导致交流损耗显著增加，因为多层的电阻差异使得损耗比单层线圈高。 例如，对于一个3层初级线圈的变压器，工作在200kHz频率下，导线直径0.84mm，线圈工作温度100℃。由于邻近效应，线圈的电阻会显著增加。计算得到的穿透深度Δ约为0.17cm，有效面积减少约5倍。第一层电阻增加1倍，第二层增加5倍，第三层增加13倍。整个线圈的电阻是直流电阻的3167.5倍，这表明邻近效应造成的交流损耗远大于集肤效应。 减小导线直径到接近穿透深度Δ，可以部分抵消邻近效应，因为导线内外表面的正负电流开始合并，磁场能够穿透到导体内部。当导线直径远小于Δ时，磁场会完全穿透，导体内的相反电流完全抵消，电流均匀分布在导线截面上。 总结来说，邻近效应对多层线圈设计有重大影响，特别是在高频应用中。它不仅改变了电流的分布，增加了损耗，还要求设计者在选择导线尺寸和线圈结构时充分考虑这一效应，以优化性能并减少不必要的能量损失。在开关电源的设计中，理解和控制邻近效应是确保高效、稳定运行的关键。