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电路拓扑的问题分析(2)-信号回流路径的选择和模型分析

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前段时间在公 众号发了一个问题,即下图,问这个拓扑有什么问题?


上周针对这个电路拓扑最典型的问题——电路之间互联环路,进行了针对性探讨,具体请查看《电路拓扑的问题分析(1)--互连和双绞线的模型分析》。今天我们再讨论另一个问题——信号回流路径的选择及模型分析


   

问题重塑


   

   


在开始讨论前,我们先对上面的电路拓扑稍加调整。假如电路1和电路2是在同一块PCB板上,我们只保留电路1的某个信号,同样电路2也只保留某信号。

红线:表示该信号的PCB走线,红色箭头表示信号走向,电流为I1;

黑线:表示该信号可能的回流路径,黑色箭头表示回流方向,可能的回流路上的电流分别为I2和I3。



上图为平面图,理解起来可能不够直观。你可能疑问:怎么会有两种回流路径?很好!如果有这个疑问,说明你在认真思考这个问题。可以带着问题继续看下图。



上图中,红色是信号走线,两种蓝色都是信号在参考层中可能的回流路径。见多识广的你,可能在其他文献中看到过类似的图片。


如果你拿到的文献介绍的比较详细,还可能会提到:信号速率不同,返回电流的路径选择会存在不同。


如果你找到的文献介绍的更加详细,还可能会提到:信号速率大概在50kHz(或100kHz)以上,返回电流通常在信号参考层下方(或上方,具体依据PCB叠层设计)。信号速率在50kHz(或100kHz)以下,返回电流在参考层通常走电阻最小的路径。能直接回流过去,就不会来回绕弯。


这里的50kHz或100kHz,是估算值。不同文献的说法,可能略有差异,基本都在这个范围。但是我们更应该考虑的是:为什么会有这种回流路径选择现象有的同学可能会说趋肤效应、趋肤深度等等之类的,这个计算起来太过复杂,今天我们换一个维度来讨论,尽可能简单


   

两导线之间的磁场耦合


   

   

根据安培定律,我们知晓一根存在电流流动的直导线外围存在磁场,导体周围产生磁通量φ。φ=L*I,L是导线自身的电感,I是导线中的电流。


如果两根直导线1和2相互靠近,彼此都存在于对方的磁场中,两者之间会存在互感M12。为了适配本文,导线电流方向是相反的。


导线1上的φ1和U1,以及导线2上的φ2和U2,相关推导过程,在邱关源《电路》第10章“含有耦合电感的电路”有明确的解析和过程推导,这里不做扩展。如果没有印象的,可以回复重温一下,这里我们更关注的是,信号线和回流的定量关系可以用导线1和导线2来做模型分析。接下来往本文案例中靠拢。


   

回流模型分析


   

   




来源:硬件微讲堂
电路
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首次发布时间:2024-11-09
最近编辑:1月前
硬件微讲堂
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电路的环路怎样才算小?如何定量判断?

▼关注公 众号:硬件微讲堂▼大家好,我是硬件微讲堂。这是我的第102篇原创文章。为避免错过干货知识,欢迎关注公众 号回答问题加入免费技术交流群,抱团取暖,共同进步! 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“重点关注和特殊照顾”。 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。今天二火从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:具有高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。点击上面专辑/课程名称可直接访问详情页。其中,《信号振铃解析》课程搭配理论计算、仿真分析、实测波形,多维度解析振铃,旨在让各位同学能够切实理解和掌握振铃的特性、内在逻辑、危害以及如何抑制。课程目录如下:怎么样?一个简短的问题,给出的回答可浅可深,就看你对这个知识点的理解达到怎样的程度。你学废了么?关注“硬件微讲堂”,硬件路上不慌张!来源:硬件微讲堂

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