设计DCDC的 Layout的秘诀

很多DCDC芯片的手册都有对应的PCB Layout设计要求,有些还会提供一些Layout示意图,都是大同小异的。
比如我随便列几点buck的设计要点:
1、输入电容器和二极管在与IC相同的面,尽可能在IC最近处。
2、电感靠近芯片的SW,输出电容靠近电感放置。
3、反馈回路远离电感,SW和二极管等噪声源。

那你知道这些要点都是怎么来的吗?
如果拿到一个具体的芯片,因为芯片管脚分布的问题,可能这些条件不能同时满足,那什么办?到底孰轻孰重?
举个Buck的例子
SW在IN和GND之间,如果按照要点,直接将输入滤波电容放到IN和GND旁边,那么SW的信号就出不来,而电感也要求放在芯片旁边,这就矛盾了。
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那我们看看这个芯片手册推荐的Layout
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芯片手册推荐的layout倒是都就近放置了,但是它的方法是SW在输入滤波电容底下走线,这在现实中能做到?
我们不能采用芯片手册推荐的这种方式,但事实是这种管脚分布的芯片多得是,那我们的Layout如何布局布线呢?
我给大家说一个最根本的方法:
DCDC的Layout终极奥义——心中有环
“环”,指的是有大电流流过的闭合回路。
以BUCK为例,BUCK电路存在两个状态,上管导通和下管(或者是二极管)导通,因此存在两个大的电流环路。
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知道这两个环路有什么用呢?
我们要让这两个环路的面积越小越好,因为每一个电流环都可以看成是一个环路天线,会产生辐射,会引起EMI问题,也会干扰板上其它的电路,而辐射的大小与环路面积呈正比。
电流环所生成的高频磁场会在离开环路大约 0.16λ 以后逐渐转换为电磁场,由此形成的场强大约为:
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可以看到,辐射的大小与环路的面积,频率的平方,电流的大小呈正比。
BUCK的输入环路非常非常重要,环路面积一定一定要小。
另外一点需要注意,是环路面积小,不是走线短,这两者还是有区别的。有时走线短并不一定环路就小,我们的目标是环路的面积,而不是长度。
输入环路指的什么呢?
显然,这个芯片的开关管在芯片内部,所以输入环路就是芯片的IN管脚,与GND管脚,以及输入滤波电容形成的环路,那么除了芯片之外,器件就只有输入滤波电容了。
所以最理想的layout就直接将输入滤波电容跨接到芯片的IN脚和GND管脚,从这一点上看,芯片手册推荐的layout与这一点是符合的,只是这样做了之后,SW出不来而已。

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这颗dcdc芯片给出的推荐layout确实是保证了输入环路最小。只不过它将SW信号走在了输入滤波电容下面,这个实际电路通常是行不通的,因为电容下面根本就走不了比较宽的线的。
那咋办呢?
我估计会有人认为将输入滤波电容放置到PCB的背面,在Vin和GND管脚正下方放置滤波电容,通过过孔接过去,这样看起来环路也比较小。
我的看法是,如果有其它更好的方式,那就不要这么做。
因为过孔会存在寄生电感,加了过孔会增加这个环路的电感,导致发生LC振荡。直接的现象就是在SW处产生高振铃,这个高振铃意味着这个环路中,谐振频率的信号分量很强。
也就是说尽管环路面积不大,天线效应不强,但是我的信号强度变大了呀,辐射不一定差。
曾经的教训
多年前,我曾经就遇到一个电源芯片的输入滤波电容放背面,通过过孔连接,结果搞得整个板子的噪声很大,而将滤波电容直接手动跨到Vin和GND上面,立马问题就没了。
当时我还不懂,觉得不可思议,打孔的数量并不少,滤波电容也是在底部就近放置的,居然还有问题,几个孔威力这么大?
后来还专门改板解决,直接将输入滤波电容与芯片同层,并在表层连接,问题就解决了。
上面说了这么多,其实主要说的就是,BUCK电路,输入滤波电容的布局布线非常重要,是重中之重,是第一要考虑的。
前面写了一堆,一直在强调输入环路,那输出环路不重要吗?
当然不是,输出环路也有高频分量,所以输出环路也要越小越好,只是它相对输入环路来说高频分量强度不高,在二者布局有矛盾的时候,当然是优先考虑输入环路。
总而言之,如果是我,我会将开头提到的BUCK这样Layout:
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上面这是buck的一个情况,那么boost是怎么样的呢
Boost也有两个环,是下图这样的
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跟buck一样,我们把它们分为两个部分,输入环路和输出环路,可以看到,输出环路是上面两个环路的差值。

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与buck不同的是,电感在输入环路,其电流波形是三脚波,而输出环路的电流就是二极管的电流,是有突变的。
boost最重要的是输出回路,类似于Buck的输入回路。我们需要首先保障的是boost的输出环路尽量小。
具体实例就不举了。

Layout其它方面注意事项
除了大的电流回路,还有FB,补偿电路这些,是小信号电路,所以他们要尽量远离前面大的电流回路,远离电感等。
比如下面,就是左边比右边的好:
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另外需要注意,关于大的电流回路,我们要把GND地看进去,不要用这些走线分割了大电流的回流地GND路径。
所以,你有的时候会看到,底层FB走线并不是最短的,而是绕了一下。
小结
总的来说,DCDC的layout,我们要做到心中要有电流环。
画板的时候,心里念叨一下,开关断开,电流咋咋咋流,开关导通,电流咋咋咋流。然后找到电流突变的那个环,那就是最重要的,得优先处理。
这个原则,其实不仅仅适用于dcdc,其它类型的电源,或者是大功率电路,都是如此的。
了解了这个原则,其实很多电路,都不用去细看芯片手册的pcb layout的注意事项了,它说的也就是这些东西,只不过是具体的措施而已。

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