1.簡介

Buck電路是一種直流-直流(DC-DC)轉換器，也稱為降壓轉換器。它可將高電壓直流輸入轉換為較低電壓直流輸出。Buck電路由開關器件(通常為MOSFET)和輔助元件(如電感和電容)組成。

Buck 電路在許多電子設備中廣泛應用，包括電源適配器、電動汽車、太陽能系統等。Buck電路具有高效率、緊湊的尺寸和較低的成本等優點，因此成為DCDC 轉換的常用選擇。

2.工作原理

Buck 電路基于開關定時的原理工作。下面是Buck電路的基本工作原理:

01.開關器件關閉狀態:當開關器件(MOSFET)處于關閉狀態時，輸入電壓(Vin)通過電感(L)和二極管(D)充電，形成一種電流。

02.開關器件導通狀態:當開關器件導通時，電感儲存的能量被釋放，通過二極管和負載電阻(RL)供電。此時，輸出電壓(Vout)取決于導通時間和電感電流。

03.控制方式:通過控制開關器件導通時間的長短，可以調節輸出電壓的大小。典型的控制方式有PWM(脈寬調制)和PFM(脈沖頻率調制)。

3.Buck 電路的主要元件

Buck 電路由以下主要元件組成:

01.MOSFET開關器件:用于控制輸入電壓通過電路的通斷狀態

02電感(L):用于儲存能量，并平滑輸出電流。

03二極管(D):與電感形成一個循環，用于導通電感儲存的能量到負載電阻。

04.輸出電容(C):平滑輸出電壓，減少紋波，

05.控制電路:用于控制開關器件的導通時間，以調節輸出電壓。

在DCDC電源電路中，PCB的布局對電路功能的實現和良好的各項指標來說都十分重要。今天我們以Buck電路為例，分析如何進行合理PCB layout布局以及設計中的注意事項。

01功率回路

如圖1(a)和1(b) 展示的分別是上管開通和關斷時的電流回路，即我們通常說的功率回路部分。這部分電路負責給用戶負載供電，承受的功率較大。電路中的上下管一般使用MOS管，由芯片內部產生的PWM信號來控制他們進行高速的開斷。而后半部分電路中的電感和電容組成了一個LC濾波電路，故不會存在一個較高的電流變化趨勢。

圖1(a) 圖1(b)

圖1(c)

結合上管和下管，即Q1、Q2的電流波形（圖1(c)），不難發現，只有在兩個開關管的部分會出現高電流轉換速率。由于PWM信號處電壓的快速變化，SW點會產生較強的噪聲。所以我們在PCB布線時需要特別注意，盡可能減小這一快速變化環節的面積來減少對其他部分的干擾?？上驳氖?，隨著集成工藝的進步，目前大部分電源芯片都將上下管集成到了芯片的內部，只有較少數的應用需要外置MOS或是二極管。

02功率回路的PCB布局

對于一個常見的buck芯片，其電感充電功率回路中包含輸入電容，集成在芯片內部的上管MOSFET，功率電感以及輸出電容等器件。而電感放電功率回路中則包含功率電感、輸出電容和集成在芯片內部的下管MOSFET等。

圖2(a) 電感充電功率回路

圖2(b) 電感放電功率回路

在進行PCB布線時，這兩個功率回路走線要盡可能的短粗，在保證通流能力的情況下保持較小的環路面積，這樣可以減少對外輻射的噪聲。

輸入電容：

需就近放在芯片的輸入Vin和功率地PGND，來減少寄生電感的存在。因為輸入電流不連續，寄生電感引起的噪聲可能會超過芯片的耐壓以及對邏輯單元造成不良影響。VIN管腳旁邊至少要有1個去耦電容，距離最好小于40mil，用來濾除來自電源輸入端的交流噪聲和來自芯片內部（倒灌）的電源噪聲，同時也會起到儲能作用。

SW點：

是開關節點，為噪聲源，所以應在保證電流的同時保持盡量小的面積，遠離易受干擾的信號走線。另外需要注意的是，對于大電流應用的Buck電路，盡量不要在SW處打過孔，避免把噪聲帶到其他層去。

輸出電容：

與輸入電容相似，輸出電容需要就近放在電感的輸出VOUT和功率地PGND，PGND 與輸出電容最短連接并鋪整銅，以保證功率回路最小。

鋪銅面積與過孔數量：

這兩者會影響到PCB的通流和散熱能力。一般需要在VIN，Vout和GND處多打過孔，這兩處的鋪銅也應最大化來達到減小寄生阻抗的目的，SW處的鋪銅也不能過小，以免出現限流的情況，導致工作異常。由于PCB的載流能力與PCB板材、板厚、導線寬厚度以及溫升相關，較為復雜，可以通過具體設計規范來進行準確的查找和計算。

03邏輯電路的PCB布局

在buck電路中，一般需要注意以下幾個邏輯環節：自舉電容、反饋電路、VCC和單點接地。

自舉電容：

中高壓buck芯片內部集成的上管一般都為NMOS，故需要BST自舉電路。在電感放電期間，通過對自舉電容進行充電，在BST管腳處就會產生一個高于SW的電壓，在電感充電期間驅動上管。故BST與SW一樣，也是一個電壓高速跳變的點，會輻射出較強的噪音。自舉電容也要放置在盡可能靠近BST和SW的位置，避免對其他信號的影響，布線時寬度一般在20mil即可。

反饋電路：

一般包括FB上下分壓電阻和前饋電容。由于FB點的電壓很低，普遍在0.6-0.8V左右，極易與噪聲或紋波混淆，是芯片最敏感，最容易受干擾的部分，也是引起系統不穩定的常見原因。所以在布線時，上下分壓電阻和前饋電容都盡量靠近芯片擺放來減少噪聲的耦合，FB電阻連接到FB管腳的走線要盡可能地短來減小寄生電感以及阻抗。同時，需要注意FB連接到Vo的走線可以通過過孔設置在其他層，但也要盡可能遠離噪聲源，如SW、BST、電感等。

VCC電容：

VCC為芯片邏輯電路供電，是芯片內部LDO的輸出。VCC電容應就近放置在芯片的VCC管腳和GND管腳之間，起到穩壓的作用。并且電容與芯片盡量在一層，不打過孔。

單點接地：

輸出電流較大的芯片，他們的地一般會被區分為PGND和AGND，PGND就是功率地，AGND就是我們一般所指的信號地，與FB、EN、VCC等芯片邏輯部分相關。為了避免整塊的功率地影響到較為敏感的信號地，建議將AGND和PGND單點連接，通過一個0ohm電阻連接也可以。

這是因為盡管PGND的大塊鋪銅可以起到吸收輸入端電源噪音的作用，但是在輸出電流較大的情況下，其輻射出的噪音依舊會對敏感的邏輯電路造成影響。單點連接的布線方式可以為我們的邏輯電路提供一個相對“干凈”的地。

以上，就是我們在畫buck電路PCB時需要著重注意的地方。當畫PCB無從下手時，也可以先打開芯片的規格書，查看demo板的PCB layout或是相關的指導。

04PCB“健康體檢表”

最后，為了方便大家了解自己畫的PCB是否合理，可以參考以下PCB“健康體檢表”做一個自評：

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