电路的环路怎样才算小?如何定量判断?

原创 硬件微讲堂 2024-08-20 08:07

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在硬件电路的设计过程中,老工程师们经常意味深长地提醒新手们:

“你这个环路绕得太大”

“你这个电感不能这么放,走线绕远了”

“PCB走线要尽量控制环路面积”,

“硬件设计要减小环路”,

……诸如此类,可是不晓得新手们到底是否理解环路怎样才算小,小到多少才算小?今天我们就一起来探讨下这个。


一道问题




照例,我们先抛出来一道问题:硬件电路的环路,怎样才算小?如何定义这个小,有定量的计算吗?


硬件微讲堂的老粉儿,估计能感觉出来:硬件微讲堂截止到目前已经发了100篇原创,即探讨了100个技术问题。刚开始提的问题多是面试中经常遇到的问题,后来是面试中不经常遇到的问题,再后面多是面试中压根不会遇到的问题。问题的深度也是越来越深,很多都需要一定的硬件经验和基础才能说出个123。硬件微讲堂的小编一直在深挖和探究硬件的神秘之处,希望能和大家一起共同精进。


哪些环路需要关注?




一个电路里面可以包含有多个环路,大小不一的环路。


比如之前在《电容的滤波和退耦,你当真理解?》提到过的由退耦电容构造成的输入环路,如下图所示:



比如之前在讲Buck电路时有提到过FCCM模式的4种电流回路,如下图所示,是由于电路在不同工作状态下开关器件动作构造出的不同环路,具体可以看下付费专辑文章《FCCM模式下Buck电源的4种电流回路解析》。



由此看来,电流环路可谓是五花八门,多种多样。怎么办?我们需要都关注吗?


答案是不需要!我们只需要关注那些具有高dV/dt,高di/dt的环路。而那些仅仅是直流或者变化率很低的环路,优先级可以适当往后放一放。


因为具备高dV/dt,高di/dt的环路,其内部的交流分量、谐波分量往往很多。从EMC三要素的维度来考虑,这种环路就是三要素中的干扰源,需要给予“重点关注和特殊照


如何关注和照顾?




这里说的“关注和照顾”,就是文章开头老工程师提到的“PCB走线要尽量控制环路面积”、“硬件设计要减小环路”,还有“回流要顺畅”、“回流路径要尽量短”、“参考层要完整”……这些,不是本次要讨论的重点,具体不做展开。


怎么才算照顾到位?




照顾到位”,也就是老工程师口中提到的环路要小的“环路小到位”,如何定量衡量?这个问题,不晓得屏幕前的你是否考虑过、研究过。


可能有的同学会说:要结合具体的电路设计,比如一个Buck电源,需要结合器件封装、PCB尺寸、器件布局、电流大小等要素来确定器件布局,以达到器件之间的“紧耦合”,让环路尽可能小。很难去定义怎么才算小。


好的 ,那既然不好定义如何算小,那我们换个思路,如果判断这个环路是否太大,有没有一个限值呢?恐怕这个问题,也很难回答。今天二火EMC的维度来探讨下。


前面在《电容的滤波和退耦,你当真理解?》中提到,在自由空间中,环路辐射强度的公式:



E是电场强度,S是环路面积,I是电流,f是频率,d是和环路之间的距离。由此可以看出,环路面积S越大,空间辐射强度E就越大。所以,前面提到的尽量控制/减小环路面积是有道理的。


但是这个公式是以自由空间为讨论的前提,在现实世界中,我们绝大部分的电子产品都是在地平面上工作的,大地类似一个镜子,提供了一个反射面,这个反射面增大了可以测到的辐射量,大概是2倍的样子,我们对这个公式的系数稍作调整:



有了这个公式,我们再稍作变换:



把环路面积S单独挪到左侧,这样我们就得到了关于环路面积的求解公式。我们分析下上面的式子,E是电场强度,单位是V/m,d是距离,单位是m,I是环路电流,单位是A,f是频率,单位是Hz。


回想下,我们在做EMC实验室做测试时,好像上面E,d,f这三个数值都有,只有I和S不知道。在CISPR25标准中,清楚地写到各个频率f段内的电场强度E的限制,实验室环境搭建中明确了天线距离待测物的距离d。



如上图红框所示,辐射骚扰测试(ALSE法)中Class3中,明确要求在30MHz时,E的PK限值为52uV/m。


如上图红框,辐射骚扰测试时天线距离待测DUT的距离d规定是1m。如果我们的产品要求是满足CISPR RE Class3,我们想知道f=30MHz时,环路面积不能超过多少,此时我们知道,在f=30MHz时,Emax=52uV/m,d=1m,还缺少一个数值:环路电流。注意,这个电路是我们设计的,环路电流心里多少应该有数,假设I=25mA。


那么,我们根据上面的公式,可以求解出Smax=0.88平方厘米。注意上面公式中单位的换算哈,V/m和uV/m,A和mA,Hz和MHz。


这样我们就可以知道,在30MHz时对于25mA的环路电流,在距离1m处电场强度限定为52uV/m时,环路的最大面积是0.88cm2。如果环路超出这个面积,那么辐射可能超标,不能满足法规要求。


总  结




先聊到这里,梳理下今天讨论的内容:

①提出问题:环路要小,怎样才算小?

②限定范围:有高dV/dt,高di/dt的环路才需要重点关注;

③解决方案:控制环路的多种措施;

④衡量标准:给出定量判别的标准。


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