關于高壓Buck電路的PCB改進

先來看一幅原理圖：

RT6362 是最高輸入電壓可到 60V 的 Buck 器件，它的負載能力為 2.5A，用它完成 48V 轉 12V 的輸出，占空比為 25%，完全處于 RT6362 的可用范圍內，所以這個由網友提供的設計應該是沒有什么大問題的。原理圖中所選二極管的型號為 SS3P6，這個型號出現在 RT6362 規(guī)格書的 2019 年版本里，屬于可以使用的型號，但其正向壓降還有降低空間，SS3P6L 就是更好的選擇，2020 年的規(guī)格書里就用了這個型號。市場上也許還有更好的選擇，有資源的同行可以提供一點建議。關于 PCB 的設計，網友的截圖是這樣的：

這幾張圖都截得非常好，應該讓我看到的都出現了，值得改進的地方也很明確，下面就來嘮叨一下。我用嘮叨一詞是有原因的，因為我在很久以前談過 PCB 的設計問題，所以再次提及就覺得是嘮叨了，希望不喜歡的讀者能夠有所體諒。

Buck 電路工作的時候存在兩個主要的電流回路，一個是從輸入電容正極經上橋、電感、輸出電容到地線返回輸入端的回路，它存在于上橋導通的時候，另一個回路出現在上橋截止的時候，電感電流的持續(xù)流動拉低了開關切換節(jié)點的電位使續(xù)流二極管導通（上圖是同步電路，續(xù)流二極管已被開關管替代），本來要回流到輸入地的電流經續(xù)流二極管流入電感形成第二個電流回路，這樣就在輸入電容、上橋和地構成的輸入回路上出現了電流的斷續(xù)，而有電流時有磁場，沒電流時沒磁場，這就表示這里的磁場在發(fā)生變化，對外來說便是一個變化的磁場源，也就是包含高頻成分的輻射，我們希望它越少越好。

所以需要將這個輸入環(huán)路的面積最小化，最好是能讓續(xù)流二極管的電流路徑和輸入電容的路徑重疊在一起，但這只能作為一個理想存在，實際上根本做不到，能做的是無限接近這一理想狀況，于是就得到第一個改進措施：建議將輸入電容 C3、C4 旋轉 180 度放置，讓 C3、C4 連接的輸入地從 PCB 的背面經導通孔連接，它們正面的地從字符 D2 所在的位置與芯片底部的地、二極管 D2 所連接的地和輸出電容 C6-C9 的地連接成為一個整體，D2 底部的空間應當全部留給地以加大地的銅箔面積，這可帶來兩個方面的效果，一是降低電流流動的阻抗，二是加強散熱能力。

在加大地線面積的同時，與 RT6362 第 8 腳連接的節(jié)點 NetC2_1 所占有的銅箔面積卻需要盡可能地縮小，因為它是開關節(jié)點，在上橋導通期間具有 48V 的高電位，上橋截止、續(xù)流二極管導通期間卻是低于地的負電位，其面積越大時與其它空間、節(jié)點之間的電容也越大，傳遞過去的能量也越大，縮小其面積就有讓輻射能量降低的效果，但是它也屬于大電流路徑，所以需要路徑要寬，像現在圖中覆蓋在 D2 底部中間的銅箔都需要被全部消除掉，留出來的空間就可以給地線使用了。

圖中 R15 左上角與電容地的連接是需要被截斷的，我們不希望這里有任何電流的流動，截斷它就有這樣的效果，但與之連接的地線銅箔需要保留，一是 R15 仍然需要接地，二是這部分銅箔要起到散熱的效果。

這部分銅箔在消除了電流以后便是與 RT6362 底部焊盤成為沒有電壓差的同電位狀態(tài)，因而與之連接的元件便有了一個很好的參考點，是我們希望得到的穩(wěn)定的地。C11 下方的那片地也有同樣的效果，關鍵中的關鍵就是要沒有電流流過，即使有也只能是很少的一部分，我們在將輸入、輸出和芯片的地集中在一起的時候就非?？拷@一狀態(tài)了，因為電流總是會從阻抗最小的路徑通過，其他的地方就會相應減少甚至被完全阻斷，但是銅箔面積卻要盡可能地大，以便加強散熱效果。

很顯然，按照銅箔面積最大化的要求，RT6362 第 7 腳所連接的銅箔是需要加寬的。這塊板子輸出部分的布置是比較好的，但是回流的所有地電流會流經最靠近負載的電容 C6，而且從電感出來的電流還存在一段單純的銅箔，前者會造成輸出紋波的增大，后者會形成一定的輻射。

理想的做法應該是這樣，從電感出來的電流立即進入一顆輸出電容并從它的接地端立即回到輸入、芯片和輸出電容的共同接地點，緊接著再從這顆輸出電容連接第二顆輸出電容，更多的輸出電容也按同樣原則放置和走線，同時確保每顆電容的地都與共同接地點以最短距離、最短路徑連接，這樣從最后一顆電容上得到的就是最純凈的輸出，而反饋電壓的取樣點也就在這最后的地方，現在板上的取樣點是在由此引出的連接線上，可以使用但已經有點遠了，多出的銅箔會引入一定的阻抗，對回路特性可能引入一定的影響。

從現有板面空間看，幾顆電容的放置比較難改變的是地線的連接，但將 C8 旋轉 90 度放置應該還是可以實施的一種改善，這一措施改善的是高頻輻射的部分，因為經過它的作用以后的電壓、電流都得到了一定的平滑。在大電流的 PCB 布局中，我會比較喜歡將大電流路徑都放在元件層而避免經過導通孔換層，如果要換也要使用較大的孔和較多的孔，主要的擔心是導通孔會引入阻抗，要用就要引入較多的銅來消除其影響。

但是導通孔又有很好的熱引導的作用，銅的熱阻顯然遠低于非金屬的基板材料，所以要利用它來把熱引導到另外的層并盡快散發(fā)出去，這時候需要考慮的是這些引出去的路徑會對電流的流動造成什么影響。

從這塊板子的設計來看，12V 的輸出是從板子底部經右側引出的，它的回流地也應該通過同樣的路徑返回 RT6362 的輸出電容，但是板子背面卻有大片的地從左側引向上方我們看不見的部位，那里的負載在從 12V 輸出得到電流以后形成的回流電流會從哪里經過呢？

這是需要設計者思考的問題。如果確認電流會從左側返回，這樣就會在板上形成一個巨大的電流環(huán)，它往往也意味著大的電磁輻射，所以從很大程度上看是需要在左側的某個位置進行地的切分的，切分的目的就是要保障回流電流只能從右側板邊沿返回來。

說完了地和電流路徑的問題，從我的觀念來說 PCB 的設計就已經基本定型了，RT6362 周邊的小型元件都需要得到的一個穩(wěn)定的地電位也已經有了，它們的放置基本上就不會有什么問題，但是還有一個問題可以談談，那就是發(fā)熱的問題。如果沒有什么意外，我想在下一篇文章說說主要元件的熱都是如何產生的，又可以如何對其進行估計，可能會涉及到一些計算或是估算，有興趣的可

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