DCDC的Layout終極奧義

關(guān)于Buck和Boost的，我已經(jīng)寫(xiě)了幾篇，不過(guò)很少提到PCB Layout，這篇就說(shuō)說(shuō)PCB Layout。

很多DCDC芯片的手冊都有對應的PCB Layout設計要求，有些還會(huì )提供一些Layout示意圖，都是大同小異的。

比如我隨便列幾點(diǎn)buck的設計要點(diǎn)：

1、輸入電容器和二極管在與IC相同的面，盡可能在IC最近處。

2、電感靠近芯片的SW，輸出電容靠近電感放置。

3、反饋回路遠離電感，SW和二極管等噪聲源。

那你知道這些要點(diǎn)都是怎么來(lái)的嗎？

如果拿到一個(gè)具體的芯片，因為芯片管腳分布的問(wèn)題，可能這些條件不能同時(shí)滿(mǎn)足，那什么辦？到底孰輕孰重？

舉個(gè)Buck的例子

比如下面這個(gè)buck，它的管腳分布就不好。

SW在IN和GND之間，如果按照要點(diǎn)，直接將輸入濾波電容放到IN和GND旁邊，那么SW的信號就出不來(lái)，而電感也要求放在芯片旁邊，這就矛盾了。

那我們看看這個(gè)芯片手冊推薦的Layout

芯片手冊推薦的layout倒是都就近放置了，但是它的方法是SW在輸入濾波電容底下走線(xiàn)，這是逗我嗎？這在現實(shí)中能做到？

我們不能采用芯片手冊推薦的這種方式，但事實(shí)是這種管腳分布的芯片多得是，那我們的Layout如何布局布線(xiàn)呢？

這個(gè)問(wèn)題先不回答，我給大家說(shuō)一個(gè)最根本的方法：

DCDC的Layout終極奧義——心中有環(huán)

心中有環(huán)

“環(huán)”，指的是有大電流流過(guò)的閉合回路。我們只要控制好這個(gè)環(huán)，Layout基本就成功一大半了。

下面來(lái)看為什么

以BUCK為例，BUCK電路存在兩個(gè)狀態(tài)，上管導通和下管（或者是二極管）導通，因此存在兩個(gè)大的電流環(huán)路。

知道這兩個(gè)環(huán)路有什么用呢？

我們要讓這兩個(gè)環(huán)路的面積越小越好，因為每一個(gè)電流環(huán)都可以看成是一個(gè)環(huán)路天線(xiàn)，會(huì )產(chǎn)生輻射，會(huì )引起EMI問(wèn)題，也會(huì )干擾板上其它的電路，而輻射的大小與環(huán)路面積呈正比。

電流環(huán)所生成的高頻磁場(chǎng)會(huì )在離開(kāi)環(huán)路大約 0.16λ 以后逐漸轉換為電磁場(chǎng)，由此形成的場(chǎng)強大約為：

可以看到，輻射的大小與環(huán)路的面積，頻率的平方，電流的大小呈正比。

那我們是不是讓這兩個(gè)環(huán)路面積最小就可以了呢？

確實(shí)是的，不過(guò)我認為了解這點(diǎn)還不夠，突出不了重點(diǎn)。

從拓撲圖可以看出，這兩個(gè)環(huán)路有公共的部分，一個(gè)環(huán)路包含另外一個(gè)環(huán)路，這導致那個(gè)大的環(huán)路的電流各個(gè)器件節點(diǎn)可能不一樣，所以不好用那個(gè)公式計算。

所以，我們需要變通下，怎么變通呢？

輻射產(chǎn)生的原因，就是因為電流產(chǎn)生了磁場(chǎng)，電流是變化的，所以磁場(chǎng)也是變化的。電流環(huán)圍繞的面積里面的磁通量會(huì )隨電流動(dòng)態(tài)變化而變化，磁場(chǎng)生電場(chǎng)，電場(chǎng)生磁場(chǎng)形成了電磁波。

我們把那個(gè)大的電流環(huán)拆解為2個(gè)部分，如下圖：

整個(gè)大的環(huán)可以看成由輸入環(huán)路和輸出環(huán)路疊加。

可能有點(diǎn)難以理解，因為輸入環(huán)路根本就不是個(gè)實(shí)際的電流回路，它是本身存在的兩個(gè)電流環(huán)路的差值。

這其實(shí)只是個(gè)等效的方法而已，我們的目標是要知道總的大的回路里面的磁通量變化情況，這樣等效之后就可以求了，我們可以分別求得輸入環(huán)路和輸出環(huán)路的磁通量情況。

輸入環(huán)路的等效電流就是輸入電容Cin的電流

輸出環(huán)路的電路等效電流就是電感的電流

它們都是只看交流，直流分量不管，直流的頻率看成是0Hz，不會(huì )輻射電磁波。

之前我們的《手撕Buck！Buck公式推導過(guò)程》已經(jīng)分析了，輸入環(huán)路電流（Cin）和輸出環(huán)路電流（電感）分別如下：

可以看到，在開(kāi)關(guān)切換的時(shí)候，輸入環(huán)路的電流是會(huì )突變的，也就是會(huì )有很大的di/dt，那么輸入環(huán)路的磁通量也是突變的（準確的說(shuō)是變化速度很快），存在很多的高次諧波。

從前面的公式我們知道，輻射強度與頻率成正比，因此這些高次諧波更容易被輻射出去。

輸出環(huán)路的電流是三角波，是沒(méi)有突變的，所以高次諧波輻射強度要小些。

信號強度對比

這里可能有人會(huì )說(shuō)了，三角波的頻譜理論不也是無(wú)限的嗎？也有很多高頻分量啊，怎么輻射就小一些。

確實(shí)，三角波的頻譜是無(wú)限的，不過(guò)頻率越高，幅度會(huì )越低的，也就是說(shuō)高頻分量能量少，那么輻射也就少了。

關(guān)于這一點(diǎn)呢，我們簡(jiǎn)單做個(gè)仿真，看下電流的傅里葉變換fft就知道了。

使用LTspice軟件仿真，5V轉1.8V的buck電路圖如下：

輸入環(huán)路電流（輸入電容電流）和輸出環(huán)路電流（電感電流波形）如下：

有了波形，我們看下fft（仿真軟件很容易做到），看下頻譜：

可以看到，基頻就是BUCK芯片LTC3307A的開(kāi)關(guān)頻率2Mhz，2Mhz兩者的強度相差不是很大，就2-3個(gè)db左右，但是在10Mhz的時(shí)候，就已經(jīng)相差20db了，頻率越高，差得越多。

也就是說(shuō)，輸入環(huán)路的高頻諧波能量要比輸出環(huán)路大得多，如果有經(jīng)驗的話(huà)，應該會(huì )知道，引起EMI超標的一般也就是高頻超標，所以因為輸入環(huán)路造成EMI的可能性更高。

我這里費了一些功夫，其實(shí)就是為了說(shuō)明：

BUCK的輸入環(huán)路非常非常重要，環(huán)路面積一定一定要小。

另外一點(diǎn)需要注意，是環(huán)路面積小，不是走線(xiàn)短，這兩者還是有區別的。有時(shí)走線(xiàn)短并不一定環(huán)路就小，我們的目標是環(huán)路的面積，而不是長(cháng)度。

我們布局走線(xiàn)盡量走成扁的那種形狀。

我們回到開(kāi)頭的那個(gè)DCDC芯片，輸入環(huán)路指的什么呢？

顯然，這個(gè)芯片的開(kāi)關(guān)管在芯片內部，所以輸入環(huán)路就是芯片的IN管腳，與GND管腳，以及輸入濾波電容形成的環(huán)路，那么除了芯片之外，器件就只有輸入濾波電容了。

所以最理想的layout就直接將輸入濾波電容跨接到芯片的IN腳和GND管腳，從這一點(diǎn)上看，芯片手冊推薦的layout與這一點(diǎn)是符合的，只是這樣做了之后，SW出不來(lái)而已。

這顆dcdc芯片給出的推薦layout確實(shí)是保證了輸入環(huán)路最小。只不過(guò)它將SW信號走在了輸入濾波電容下面，這個(gè)實(shí)際電路通常是行不通的，因為電容下面根本就走不了比較寬的線(xiàn)的。

那咋辦呢？

我估計會(huì )有人認為將輸入濾波電容放置到PCB的背面，在Vin和GND管腳正下方放置濾波電容，通過(guò)過(guò)孔接過(guò)去，這樣看起來(lái)環(huán)路也比較小。

我的看法是，如果有其它更好的方式，那就不要這么做。

因為過(guò)孔會(huì )存在寄生電感，加了過(guò)孔會(huì )增加這個(gè)環(huán)路的電感，導致發(fā)生LC振蕩。直接的現象就是在SW處產(chǎn)生高振鈴，這個(gè)高振鈴意味著(zhù)這個(gè)環(huán)路中，諧振頻率的信號分量很強。

也就是說(shuō)盡管環(huán)路面積不大，天線(xiàn)效應不強，但是我的信號強度變大了呀，輻射不一定差。

關(guān)于振鈴，以前專(zhuān)門(mén)寫(xiě)過(guò)《BUCK的振鈴實(shí)驗與分析》，可以去看一看。

曾經(jīng)的教訓

多年前，我曾經(jīng)就遇到一個(gè)電源芯片的輸入濾波電容放背面，通過(guò)過(guò)孔連接，結果搞得整個(gè)板子的噪聲很大，而將濾波電容直接手動(dòng)跨到Vin和GND上面，立馬問(wèn)題就沒(méi)了。

當時(shí)我還不懂，覺(jué)得不可思議，打孔的數量并不少，濾波電容也是在底部就近放置的，居然還有問(wèn)題，幾個(gè)孔威力這么大？

后來(lái)還專(zhuān)門(mén)改板解決，直接將輸入濾波電容與芯片同層，并在表層連接，問(wèn)題就解決了。

上面說(shuō)了這么多，其實(shí)主要說(shuō)的就是，BUCK電路，輸入濾波電容的布局布線(xiàn)非常重要，是重中之重，是第一要考慮的。

如果是異步Buck，那么就有一個(gè)外置的二極管，這個(gè)二極管構成了輸入回路的一部分，那么它的位置，與輸入濾波電容的重要性是同級別的，要放得離芯片的SW比較近，具體怎么擺，咱們看回路面積怎么小就知道了。

輸出環(huán)路

前面寫(xiě)了一堆，一直在強調輸入環(huán)路，那輸出環(huán)路不重要嗎？

當然不是，其實(shí)從前面的fft也能看到，輸出環(huán)路也有高頻分量，所以輸出環(huán)路也要越小越好，只是它相對輸入環(huán)路來(lái)說(shuō)高頻分量強度不高，在二者布局有矛盾的時(shí)候，當然是優(yōu)先考慮輸入環(huán)路。

我怎么畫(huà)

總而言之，如果是我，我會(huì )將開(kāi)頭提到的BUCK這樣Layout：

Boost情況如何？

上面這是buck的一個(gè)情況，那么boost是怎么樣的呢？

輸入回路是最重要的嗎？?jì)?yōu)先需要考慮的是輸入濾波電容嗎？

答案是NO

Boost也有兩個(gè)環(huán)，是下圖這樣的

跟buck一樣，我們把它們分為兩個(gè)部分，輸入環(huán)路和輸出環(huán)路，可以看到，輸出環(huán)路是上面兩個(gè)環(huán)路的差值。

與buck不同的是，電感在輸入環(huán)路，其電流波形是三腳波，而輸出環(huán)路的電流就是二極管的電流，是有突變的。

之前《手撕Boost！Boost公式推導及實(shí)驗驗證》也已經(jīng)全面分析了這兩個(gè)電流，波形如下：

也就是說(shuō)，boost最重要的是輸出回路，類(lèi)似于Buck的輸入回路。我們需要首先保障的是boost的輸出環(huán)路盡量小。

具體實(shí)例就不舉了。

Layout其它方面注意事項

除了大的電流回路，還有FB，補償電路這些，是小信號電路，所以他們要盡量遠離前面大的電流回路，遠離電感等。

比如下面，就是左邊比右邊的好：

另外需要注意，關(guān)于大的電流回路，我們要把GND地看進(jìn)去，不要用這些走線(xiàn)分割了大電流的回流地GND路徑。

所以，你有的時(shí)候會(huì )看到，底層FB走線(xiàn)并不是最短的，而是繞了一下。

小結

總的來(lái)說(shuō)，DCDC的layout，我們要做到心中要有電流環(huán)。

畫(huà)板的時(shí)候，心里念叨一下，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電流咋咋咋流，開(kāi)關(guān)導通，電流咋咋咋流。然后找到電流突變的那個(gè)環(huán)，那就是最重要的，得優(yōu)先處理。

這個(gè)原則，其實(shí)不僅僅適用于dcdc，其它類(lèi)型的電源，或者是大功率電路，都是如此的。

了解了這個(gè)原則，其實(shí)很多電路，都不用去細看芯片手冊的pcb layout的注意事項了，它說(shuō)的也就是這些東西，只不過(guò)是具體的措施而已。

這種將關(guān)鍵環(huán)路做到最小，算是從根源上杜絕問(wèn)題的產(chǎn)生，遠比后期想不改板，然后七搞八搞要強。