什么是涡流?

文摘   科技   2024-09-04 18:58   浙江  

什么是涡流

根据电磁感应原理:两个相互靠近导体,当一个导体上电流有改变,那么另外一个导体的两端会产生感应电压,同时该感应电压会形成感应电流。

这个说法似乎说明白了,但又感觉没说清楚。那么我们再用更简单方式来表述:当其中一个导体电流变化时,另一个导体会产生感应电流,这个感应电流就是涡流

举个栗子,有两根平行的导线,其中一根导线的电流变化,那么必然会导致围绕着该导线的磁力线匝数发生变化,这些磁力线中的部分是同时包围住了另外一根平行导线。那么当这些磁力线匝数变化后,另一个平行导线所包围的磁力线也发生了变化(就算不是自身电流变化原因导致的),所以另一根导线必然会产生感应电压

如下左图所示,涡流存在于所有的所有的导体结构,但有一种非常特殊的几何结构:电流回路靠近大的导电平面。

举个栗子:金属平面(可以不是GND或电源平面)上方有一个线圈,当线圈中有电流变化时,变化的磁力线就会穿过导电平面,并在平面上激起涡流,这些涡流反过来会影响自己产生的磁力线。

如上右图所示,通过对麦克斯韦方程组求解:涡流产生的磁力线结构就像是平面下方的另一电流产生,它与平面的距离和真实电流与平面的距离相等,这个虚构的电流称为:镜像电流

镜像电流与实际电流大小相等,方向相反,而且镜像电流的一些磁力线会环绕在实际电流周围,源于涡流的互磁力线圈将减小导线的总电感,实际上就是减小了线圈的局部电感。

好,那么有一个问题是:在电感下方铺铜皮(GND或其它),是否能减小对其正下方导线的影响呢?

首先,我们知道铜线以及FR4介质的磁导率约为1,对电感所产生的磁力线无任何“阻碍”作用,所以磁力线可以轻易穿透铜层和介质而不会产生衰减,我们认为这种情况下对磁力线产生影响的只是与电感距离的大小,离电感越远磁力线密度越小,互感就越小。

那么电感底部铜皮就真的没有任何作用了么?

也不是的。因为电感下方的铜皮会产生涡流,涡流的方向与电感电流的方向相反,此时两者的磁力线会相互叠加,从而减少了对铜皮下方的电感磁力线(因为电感与铜皮涡流所产生的磁力线方向相反),从而减小了电感对其下方导线的影响(互感减小)。

再进一步思考,在电感器下方铺铜皮,是否会带来其它的影响?

首先,刚刚分析了铜皮会产生涡流,必然会增加了互感,从而减小了电感器的感量。如果该电感器用于开关电源,那么随着电感感量的减小,输出电源纹波电流会增加。另外,铜皮涡流势必会导致电源/GND平面的噪声增加,影响EMI辐射。

其次,电感器下方的平面会产生干扰,在该电源/GND平面上产生更多的噪声。如果该电源/GND用于其它器件,则要考虑该噪声对器件的影响。

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