DCDC的Layout終極奧義

關(guān)于Buck和Boost的，我已經(jīng)寫了幾篇，不過很少提到PCB Layout，這篇就說說PCB Layout。

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

比如我隨便列幾點buck的設(shè)計要點：

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。

那你知道這些要點都是怎么來的嗎？

如果拿到一個具體的芯片，因為芯片管腳分布的問題，可能這些條件不能同時滿足，那什么辦？到底孰輕孰重？

舉個Buck的例子

比如下面這個buck，它的管腳分布就不好。

SW在IN和GND之間，如果按照要點，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，而電感也要求放在芯片旁邊，這就矛盾了。

那我們看看這個芯片手冊推薦的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，這是逗我嗎？這在現(xiàn)實中能做到？

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

這個問題先不回答，我給大家說一個最根本的方法：

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的閉合回路。我們只要控制好這個環(huán)，Layout基本就成功一大半了。

下面來看為什么

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

知道這兩個環(huán)路有什么用呢？

我們要讓這兩個環(huán)路的面積越小越好，因為每一個電流環(huán)都可以看成是一個環(huán)路天線，會產(chǎn)生輻射，會引起EMI問題，也會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)所生成的高頻磁場會在離開環(huán)路大約 0.16λ 以后逐漸轉(zhuǎn)換為電磁場，由此形成的場強大約為：

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環(huán)路面積最小就可以了呢？

確實是的，不過我認為了解這點還不夠，突出不了重點。

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

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，電流是變化的，所以磁場也是變化的。電流環(huán)圍繞的面積里面的磁通量會隨電流動態(tài)變化而變化，磁場生電場，電場生磁場形成了電磁波。

我們把那個大的電流環(huán)拆解為2個部分，如下圖：

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

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

這其實只是個等效的方法而已，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，不會輻射電磁波。

之前我們的《手撕Buck！Buck公式推導過程》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，在開關(guān)切換的時候，輸入環(huán)路的電流是會突變的，也就是會有很大的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

這里可能有人會說了，三角波的頻譜理論不也是無限的嗎？也有很多高頻分量啊，怎么輻射就小一些。

確實，三角波的頻譜是無限的，不過頻率越高，幅度會越低的，也就是說高頻分量能量少，那么輻射也就少了。

關(guān)于這一點呢，我們簡單做個仿真，看下電流的傅里葉變換fft就知道了。

使用LTspice軟件仿真，5V轉(zhuǎn)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的開關(guān)頻率2Mhz，2Mhz兩者的強度相差不是很大，就2-3個db左右，但是在10Mhz的時候，就已經(jīng)相差20db了，頻率越高，差得越多。

也就是說，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，應該會知道，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，其實就是為了說明：

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

另外一點需要注意，是環(huán)路面積小，不是走線短，這兩者還是有區(qū)別的。有時走線短并不一定環(huán)路就小，我們的目標是環(huán)路的面積，而不是長度。

我們布局走線盡量走成扁的那種形狀。

我們回到開頭的那個DCDC芯片，輸入環(huán)路指的什么呢？

顯然，這個芯片的開關(guān)管在芯片內(nèi)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，從這一點上看，芯片手冊推薦的layout與這一點是符合的，只是這樣做了之后，SW出不來而已。

這顆dcdc芯片給出的推薦layout確實是保證了輸入環(huán)路最小。只不過它將SW信號走在了輸入濾波電容下面，這個實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的。

那咋辦呢？

我估計會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，通過過孔接過去，這樣看起來環(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。

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

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

關(guān)于振鈴，以前專門寫過《BUCK的振鈴實驗與分析》，可以去看一看。

曾經(jīng)的教訓

多年前，我曾經(jīng)就遇到一個電源芯片的輸入濾波電容放背面，通過過孔連接，結(jié)果搞得整個板子的噪聲很大，而將濾波電容直接手動跨到Vin和GND上面，立馬問題就沒了。

當時我還不懂，覺得不可思議，打孔的數(shù)量并不少，濾波電容也是在底部就近放置的，居然還有問題，幾個孔威力這么大？

后來還專門改板解決，直接將輸入濾波電容與芯片同層，并在表層連接，問題就解決了。

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

如果是異步Buck，那么就有一個外置的二極管，這個二極管構(gòu)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

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

當然不是，其實從前面的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)路來說高頻分量強度不高，在二者布局有矛盾的時候，當然是優(yōu)先考慮輸入環(huán)路。

我怎么畫

總而言之，如果是我，我會將開頭提到的BUCK這樣Layout：

Boost情況如何？

上面這是buck的一個情況，那么boost是怎么樣的呢？

輸入回路是最重要的嗎？優(yōu)先需要考慮的是輸入濾波電容嗎？

答案是NO

Boost也有兩個環(huán)，是下圖這樣的

跟buck一樣，我們把它們分為兩個部分，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公式推導及實驗驗證》也已經(jīng)全面分析了這兩個電流，波形如下：

也就是說，boost最重要的是輸出回路，類似于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地看進去，不要用這些走線分割了大電流的回流地GND路徑。

所以，你有的時候會看到，底層FB走線并不是最短的，而是繞了一下。

小結(jié)

總的來說，DCDC的layout，我們要做到心中要有電流環(huán)。

畫板的時候，心里念叨一下，開關(guān)斷開，電流咋咋咋流，開關(guān)導通，電流咋咋咋流。然后找到電流突變的那個環(huán)，那就是最重要的，得優(yōu)先處理。

這個原則，其實不僅僅適用于dcdc，其它類型的電源，或者是大功率電路，都是如此的。

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

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