少花冤枉錢(qián)，Buck轉(zhuǎn)換器PCB設(shè)計(jì)需要注意這些原則

上周處理了一個(gè)客戶遇到的問(wèn)題，是關(guān)于LED驅(qū)動(dòng)器RT8452的應(yīng)用。這一次，客戶所用的架構(gòu)為Buck，負(fù)載電流超過(guò)了30A，是LED應(yīng)用中我遇到過(guò)的最大電流，核心部分采用了我們多年前提供的電路結(jié)構(gòu)，但控制部分的設(shè)計(jì)超出我的意料，沒(méi)有用IC自身的特性而用其他方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的功能，花了些冤枉錢(qián)。RT8452本初的設(shè)計(jì)理念是根據(jù)LED的特性推理出來(lái)的，完全沒(méi)有按照市場(chǎng)需求來(lái)做，那時(shí)也還沒(méi)有形成大電流LED驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)，但卻由此成就了一款全功能的理想器件，只是在現(xiàn)實(shí)中能把這些理想全部實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用太少，所以很難找到充分發(fā)揮其才能的機(jī)會(huì)。如果你在LED驅(qū)動(dòng)方面有什么特別的想法，請(qǐng)與我聯(lián)絡(luò)，希望可以幫你想辦法去實(shí)現(xiàn)它，前幾日就遇到了這樣一起案例，我把一款老掉牙的產(chǎn)品挖出來(lái)推薦給同事，幫助客戶實(shí)現(xiàn)了可調(diào)微光照明的效果，說(shuō)不定你也正需要這樣的東西呢。

一旦遇到大電流，設(shè)計(jì)中出現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)會(huì)就不會(huì)少，最常遇見(jiàn)的是地回路設(shè)計(jì)上的問(wèn)題。很多人會(huì)忘了電流需要從地回路回流，其路徑需要短而且粗，跨層的時(shí)候需要打足夠的孔，還要避開(kāi)敏感的電路部分以避免出現(xiàn)干擾。上期文章所談的設(shè)計(jì)問(wèn)題中就包含了這部分內(nèi)容，雖然指出了原因，但是有的讀者顯然還不滿足，在交流中出現(xiàn)了希望看到參考圖的呼聲。遇到這種狀況的時(shí)候，我一般都會(huì)首先建議當(dāng)事人自己做些嘗試，然后我才會(huì)提供答案，其目的是希望通過(guò)這種思考讓提問(wèn)者得到提升，因?yàn)樗伎嫉囊饬x是最重大的，我們必須經(jīng)歷這種訓(xùn)練。下面的內(nèi)容可以算是我的回應(yīng)了，僅供參考。

先對(duì)問(wèn)題做些回顧：RT6224A是輸入電壓范圍為4.5V-18V、負(fù)載能力3A、最大占空比為90%的ACOT? 架構(gòu)Buck轉(zhuǎn)換器，具有非常優(yōu)秀的瞬態(tài)響應(yīng)能力。客戶用它完成5V轉(zhuǎn)4V的任務(wù)，但實(shí)際負(fù)載能力不足，即使改用了正確的電感量，負(fù)載能力已經(jīng)可以滿足應(yīng)用的需要了，但仍然不能達(dá)到3A的額定負(fù)載能力。造成這一困局的原因有兩個(gè)：反饋信號(hào)取樣點(diǎn)錯(cuò)誤；地回路設(shè)計(jì)不恰當(dāng)。另外提到過(guò)的SW節(jié)點(diǎn)太大的問(wèn)題不會(huì)造成電路工作不正常，所以沒(méi)有納入考慮范疇中。為了清楚地看到這些問(wèn)題，再次把實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)圖放在下面：

上圖中，輸入電容和輸出電容之間的GND設(shè)計(jì)得非常好，但與IC的GND之間就看不到明確的連接關(guān)系，完全可以認(rèn)為是隨意連接的，會(huì)帶來(lái)什么影響實(shí)在是說(shuō)不清楚，反正就是負(fù)載能力不行。我這樣說(shuō)話有一點(diǎn)模仿的性質(zhì)，這也是部分人在描述問(wèn)題時(shí)常用的語(yǔ)言，有現(xiàn)象，沒(méi)原因，什么問(wèn)題說(shuō)不清，這是需要通過(guò)訓(xùn)練來(lái)改變的。

Buck轉(zhuǎn)換器的GND到底應(yīng)該如何設(shè)計(jì)呢？下圖應(yīng)該是一個(gè)很好的說(shuō)明：

我猜想有很多人都看到過(guò)這幅圖，能把它用好的就不知道有多少了。在這幅圖中，功率地和模擬地被嚴(yán)格地分開(kāi)并形成星型連接。由于沒(méi)有構(gòu)成回路，開(kāi)關(guān)回路中的大電流沒(méi)有可能流過(guò)模擬地，控制器處在相對(duì)穩(wěn)定的參考點(diǎn)上，大電流及其變化所形成的信號(hào)對(duì)它沒(méi)有什么影響，因而對(duì)穩(wěn)定工作就沒(méi)有什么大的影響。

在全集成化的IC中，模擬地和功率地是融合為一體的，如下原理圖所示，芯片只有一個(gè)接地點(diǎn)。

IC只有一個(gè)GND端子，模擬地和功率地要想分開(kāi)來(lái)出線就很難（要換封裝要花錢(qián)的）。下面再展示一下內(nèi)部電路框圖，它們?cè)趦?nèi)部還是被分開(kāi)的，到了封裝打線時(shí)才會(huì)被連接起來(lái)。

由于IC內(nèi)部的路徑很短，其電阻、電感都很小，電流流過(guò)及其變化對(duì)控制部分的影響還是有限的，保證穩(wěn)定工作應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題，否則也不至于能夠被生產(chǎn)出來(lái)，想讓它正常工作的關(guān)鍵還是在應(yīng)用中的設(shè)計(jì)上。

客戶在開(kāi)始工作前有沒(méi)有拿到可供參考的PCB設(shè)計(jì)圖呢？當(dāng)然是有的，規(guī)格書(shū)的應(yīng)用說(shuō)明部分就有下面的圖片可供參考：

規(guī)格書(shū)中的參考圖不一定是最佳的設(shè)計(jì)，但基本的性能應(yīng)該是有保障的。為什么有參考設(shè)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題呢？問(wèn)題恐怕還是出在上期文章提到的問(wèn)題上，規(guī)格書(shū)很重要，但有很多人沒(méi)有養(yǎng)成閱讀的習(xí)慣，即便是閱讀，可能好些細(xì)節(jié)也不會(huì)太關(guān)心，看見(jiàn)了也不會(huì)太在意。有很多公司的電路設(shè)計(jì)者和PCB設(shè)計(jì)者是分離的，具體的一些要求可能也不能全部傳遞到PCB設(shè)計(jì)者那里，有的建議也可能會(huì)被這種安排忽略掉。

作為一個(gè)工程師，當(dāng)你看到上圖的時(shí)候需要做什么事情呢？你需要根據(jù)電路的兩種工作狀態(tài)將兩個(gè)電流回路圖畫(huà)出來(lái)，就像下圖這樣：

上圖中，紅色線所圍成的環(huán)路是上橋開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的電流流動(dòng)路徑，藍(lán)色線所圍成的環(huán)路是下橋開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的電流流動(dòng)路徑。為了讓電路工作良好，這兩個(gè)環(huán)路都應(yīng)該做到路徑盡可能粗，周長(zhǎng)盡可能短，回路面積盡可能小。同時(shí)，由于電流在兩個(gè)環(huán)路之間切換，它們之間不重合的部分就形成了一個(gè)電流存在高速變化的環(huán)路（黃色線圍起來(lái)的部分）。為了讓對(duì)外的電磁輻射最小化，兩個(gè)回路間的差異形成的黃色回路的面積應(yīng)該被優(yōu)先最小化，其他部分的最小化要在這一原則得到滿足以后再去盡可能地滿足，這樣就可以得到最佳化的設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程就是不斷進(jìn)行這一優(yōu)化的迭代過(guò)程，直至再無(wú)改進(jìn)的空間，結(jié)果就是你不想得到最優(yōu)都不可能。

利用同樣的原則，設(shè)計(jì)還可以這樣做：在上圖中，將輸出電容COUT以VOUT字串所在位置為中心向左側(cè)翻轉(zhuǎn)，與IC底部的GND銅箔向上延伸以后的新銅箔連接在一起；將輸入電容CIN以字串VIN所在位置為中心向下側(cè)翻轉(zhuǎn)，與下部的GND銅箔連接在一起。這樣做了以后，最右側(cè)的那段長(zhǎng)長(zhǎng)的GND銅箔就是可有可無(wú)的了，同時(shí)，其它元件的布置和走線也要相應(yīng)做些改變，但由于不是大電流通道，設(shè)計(jì)上的靈活性會(huì)大很多，你可以自行考慮要如何做。

對(duì)于我所說(shuō)的任何東西，我希望你都能表示質(zhì)疑，不要迷信，就像我會(huì)對(duì)參考設(shè)計(jì)表示懷疑一樣，即使它已經(jīng)很好了。在這個(gè)世界上，除了極其稀有的覺(jué)悟者以外，沒(méi)有人說(shuō)話做事是永不犯錯(cuò)的，你能指出我的錯(cuò)，這是我的幸運(yùn)，我首先得要感謝你，是你讓我有機(jī)會(huì)離真理更近一步。同時(shí)，我也希望你我能把這種功夫用在自己身上，反復(fù)審視自己，審視自己的所作所為，這樣我們就都能進(jìn)步了。學(xué)習(xí)探討這些技術(shù)問(wèn)題雖不能讓我們獲得痛苦的最終解脫，但讓我們的工作生活更如意還是有可能的。

轉(zhuǎn)載自RichtekTechnology。