电路的环路怎样才算小？如何定量判断？

硬件笔记本

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”
& a% a; k! n, Y% _" E' c8 D/ W* L5 ?“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。
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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？
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$ Y2 d2 H; K- J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。
比如在之前有提到过的由退耦电容构造成的输入环路，如下图所示：
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$ ?  x+ T7 d: }0 ^; S. ?: x0 D0 e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。

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- f/ c3 t, v4 o+ O6 N7 I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。
$ e* K/ S; m$ o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“重点关注和特殊照顾”。
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0 F4 f5 ?8 L' S( |如何关注和照顾？
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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。
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怎么才算照顾到位？
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“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。今天二火从EMC的维度来探讨下。
在之前的文章中有提到，在自由空间中，环路辐射强度的公式：
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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。
" I/ W+ H: X4 z3 R. P1 w( v) F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：

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8 a' m9 A4 w& }7 E有了这个公式，我们再稍作变换：

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+ b1 j6 L6 N( g2 ~. t6 h) a. E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。
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/ q/ j% Q+ u# A; g/ v) w  V) w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52dBuV/m。

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4 W) y# N0 ]# W* Q; w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=52dBuV/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=6.72平方厘米。注意上面公式中单位的换算哈，V/m和dBuV/m，A和mA，Hz和MHz。
# b& R0 {  e. ]7 Z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52dBuV/m时，环路的最大面积是6.72cm2。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。


; A. E; O3 N1 h7 B4 P. w, z总  结

先聊到这里，梳理下今天讨论的内容：
$ `, a1 Y  z3 J& a( Z% K/ y4 J①提出问题：环路要小，怎样才算小？
②限定范围：具有高dV/dt，高di/dt的环路才需要重点关注；
1 j7 D9 B7 Y' T! Y2 K" C! a③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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