DCDC的Layout终极奥义

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的例子比如下面这个buck它的管脚分布就不好。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。那我们看看这个芯片手册推荐的Layout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是逗我吗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如何布局布线呢这个问题先不回答我给大家说一个最根本的方法DCDC的Layout终极奥义——心中有环心中有环环”指的是有大电流流过的闭合回路。我们只要控制好这个环Layout基本就成功一大半了。下面来看为什么以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。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。那我们是不是让这两个环路面积最小就可以了呢确实是的不过我认为了解这点还不够突出不了重点。从拓扑图可以看出这两个环路有公共的部分一个环路包含另外一个环路这导致那个大的环路的电流各个器件节点可能不一样所以不好用那个公式计算。所以我们需要变通下怎么变通呢辐射产生的原因就是因为电流产生了磁场电流是变化的所以磁场也是变化的。电流环围绕的面积里面的磁通量会随电流动态变化而变化磁场生电场电场生磁场形成了电磁波。我们把那个大的电流环拆解为2个部分如下图整个大的环可以看成由输入环路和输出环路叠加。可能有点难以理解因为输入环路根本就不是个实际的电流回路它是本身存在的两个电流环路的差值。这其实只是个等效的方法而已我们的目标是要知道总的大的回路里面的磁通量变化情况这样等效之后就可以求了我们可以分别求得输入环路和输出环路的磁通量情况。输入环路的等效电流就是输入电容Cin的电流输出环路的电路等效电流就是电感的电流它们都是只看交流直流分量不管直流的频率看成是0Hz不会辐射电磁波。输入环路电流Cin和输出环路电流电感分别如下可以看到在开关切换的时候输入环路的电流是会突变的也就是会有很大的di/dt那么输入环路的磁通量也是突变的准确的说是变化速度很快存在很多的高次谐波。从前面的公式我们知道辐射强度与频率成正比因此这些高次谐波更容易被辐射出去。输出环路的电流是三角波是没有突变的所以高次谐波辐射强度要小些。信号强度对比这里可能有人会说了三角波的频谱理论不也是无限的吗也有很多高频分量啊怎么辐射就小一些。确实三角波的频谱是无限的不过频率越高幅度会越低的也就是说高频分量能量少那么辐射也就少了。关于这一点呢我们简单做个仿真看下电流的傅里叶变换fft就知道了。使用LTspice软件仿真5V转1.8V的buck电路图如下输入环路电流输入电容电流和输出环路电流电感电流波形如下有了波形我们看下fft仿真软件很容易做到看下频谱可以看到基频就是BUCK芯片LTC3307A的开关频率2Mhz2Mhz两者的强度相差不是很大就2-3个db左右但是在10Mhz的时候就已经相差20db了频率越高差得越多。也就是说输入环路的高频谐波能量要比输出环路大得多如果有经验的话应该会知道引起EMI超标的一般也就是高频超标所以因为输入环路造成EMI的可能性更高。我这里费了一些功夫其实就是为了说明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。我们布局走线尽量走成扁的那种形状。我们回到开头的那个DCDC芯片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。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。如果是异步Buck那么就有一个外置的二极管这个二极管构成了输入回路的一部分那么它的位置与输入滤波电容的重要性是同级别的要放得离芯片的SW比较近具体怎么摆咱们看回路面积怎么小就知道了。输出环路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其实从前面的fft也能看到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。我怎么画总而言之如果是我我会将开头提到的BUCK这样LayoutBoost情况如何上面这是buck的一个情况那么boost是怎么样的呢输入回路是最重要的吗优先需要考虑的是输入滤波电容吗答案是NOBoost也有两个环是下图这样的跟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。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。波形如下也就是说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。这种将关键环路做到最小算是从根源上杜绝问题的产生远比后期想不改板然后七搞八搞要强。原出处硬件工程师炼成之路觉得不错动动发财的小手点个赞哦