一個(gè)高壓 Buck 電路的 PCB 改進(jìn)措施

先來(lái)看一幅原理圖：

RT6362 是最高輸入電壓可到 60V 的 Buck 器件，它的負(fù)載能力為 2.5A，用它完成 48V 轉(zhuǎn) 12V 的輸出，占空比為 25%，完全處于 RT6362 的可用范圍內(nèi)，所以這個(gè)由網(wǎng)友提供的設(shè)計(jì)應(yīng)該是沒(méi)有什么大問(wèn)題的。
原理圖中所選二極管的型號(hào)為 SS3P6，這個(gè)型號(hào)出現(xiàn)在 RT6362 規(guī)格書(shū)的 2019 年版本里，屬于可以使用的型號(hào)，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(shū)里就用了這個(gè)型號(hào)。市場(chǎng)上也許還有更好的選擇，有資源的同行可以提供一點(diǎn)建議。
關(guān)于 PCB 的設(shè)計(jì)，網(wǎng)友的截圖是這樣的：

這幾張圖都截得非常好，應(yīng)該讓我看到的都出現(xiàn)了，值得改進(jìn)的地方也很明確，下面就來(lái)嘮叨一下。我用嘮叨一詞是有原因的，因?yàn)槲以诤芫靡郧罢勥^(guò) PCB 的設(shè)計(jì)問(wèn)題，所以再次提及就覺(jué)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(shí)候存在兩個(gè)主要的電流回路，一個(gè)是從輸入電容正極經(jīng)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?qū)ǖ臅r(shí)候，另一個(gè)回路出現(xiàn)在上橋截止的時(shí)候，電感電流的持續(xù)流動(dòng)拉低了開(kāi)關(guān)切換節(jié)點(diǎn)的電位使續(xù)流二極管導(dǎo)通（上圖是同步電路，續(xù)流二極管已被開(kāi)關(guān)管替代），本來(lái)要回流到輸入地的電流經(jīng)續(xù)流二極管流入電感形成第二個(gè)電流回路，這樣就在輸入電容、上橋和地構(gòu)成的輸入回路上出現(xiàn)了電流的斷續(xù)，而有電流時(shí)有磁場(chǎng)，沒(méi)電流時(shí)沒(méi)磁場(chǎng)，這就表示這里的磁場(chǎng)在發(fā)生變化，對(duì)外來(lái)說(shuō)便是一個(gè)變化的磁場(chǎng)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(gè)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(gè)理想存在，實(shí)際上根本做不到，能做的是無(wú)限接近這一理想狀況，于是就得到第一個(gè)改進(jìn)措施：建議將輸入電容 C3、C4 旋轉(zhuǎn) 180 度放置，讓 C3、C4 連接的輸入地從 PCB 的背面經(jīng)導(dǎo)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(gè)整體，D2 底部的空間應(yīng)當(dāng)全部留給地以加大地的銅箔面積，這可帶來(lái)兩個(gè)方面的效果，一是降低電流流動(dòng)的阻抗，二是加強(qiáng)散熱能力。
在加大地線面積的同時(shí)，與 RT6362 第 8 腳連接的節(jié)點(diǎn) NetC2_1 所占有的銅箔面積卻需要盡可能地縮小，因?yàn)樗情_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，在上橋?qū)ㄆ陂g具有 48V 的高電位，上橋截止、續(xù)流二極管導(dǎo)通期間卻是低于地的負(fù)電位，其面積越大時(shí)與其它空間、節(jié)點(diǎn)之間的電容也越大，傳遞過(guò)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(xiàn)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(lái)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?cái)嗟?，我們不希望這里有任何電流的流動(dòng)，截?cái)嗨陀羞@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(pán)成為沒(méi)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(gè)很好的參考點(diǎn)，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(guān)鍵中的關(guān)鍵就是要沒(méi)有電流流過(guò)，即使有也只能是很少的一部分，我們?cè)趯⑤斎?、輸出和芯片的地集中在一起的時(shí)候就非?？拷@一狀態(tài)了，因?yàn)殡娏骺偸菚?huì)從阻抗最小的路徑通過(guò)，其他的地方就會(huì)相應(yīng)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(qiáng)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(huì)流經(jīng)最靠近負(fù)載的電容 C6，而且從電感出來(lái)的電流還存在一段單純的銅箔，前者會(huì)造成輸出紋波的增大，后者會(huì)形成一定的輻射。理想的做法應(yīng)該是這樣，從電感出來(lái)的電流立即進(jìn)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(diǎn)，緊接著再?gòu)倪@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(shí)確保每顆電容的地都與共同接地點(diǎn)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(diǎn)也就在這最后的地方，現(xiàn)在板上的取樣點(diǎn)是在由此引出的連接線上，可以使用但已經(jīng)有點(diǎn)遠(yuǎn)了，多出的銅箔會(huì)引入一定的阻抗，對(duì)回路特性可能引入一定的影響。從現(xiàn)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(zhuǎn) 90 度放置應(yīng)該還是可以實(shí)施的一種改善，這一措施改善的是高頻輻射的部分，因?yàn)榻?jīng)過(guò)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(huì)比較喜歡將大電流路徑都放在元件層而避免經(jīng)過(guò)導(dǎo)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(dān)心是導(dǎo)通孔會(huì)引入阻抗，要用就要引入較多的銅來(lái)消除其影響。但是導(dǎo)通孔又有很好的熱引導(dǎo)的作用，銅的熱阻顯然遠(yuǎn)低于非金屬的基板材料，所以要利用它來(lái)把熱引導(dǎo)到另外的層并盡快散發(fā)出去，這時(shí)候需要考慮的是這些引出去的路徑會(huì)對(duì)電流的流動(dòng)造成什么影響。從這塊板子的設(shè)計(jì)來(lái)看，12V 的輸出是從板子底部經(jīng)右側(cè)引出的，它的回流地也應(yīng)該通過(guò)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(cè)引向上方我們看不見(jiàn)的部位，那里的負(fù)載在從 12V 輸出得到電流以后形成的回流電流會(huì)從哪里經(jīng)過(guò)呢？這是需要設(shè)計(jì)者思考的問(wèn)題。如果確認(rèn)電流會(huì)從左側(cè)返回，這樣就會(huì)在板上形成一個(gè)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(cè)的某個(gè)位置進(jìn)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(cè)板邊沿返回來(lái)。
說(shuō)完了地和電流路徑的問(wèn)題，從我的觀念來(lái)說(shuō) PCB 的設(shè)計(jì)就已經(jīng)基本定型了，RT6362 周邊的小型元件都需要得到的一個(gè)穩(wěn)定的地電位也已經(jīng)有了，它們的放置基本上就不會(huì)有什么問(wèn)題，但是還有一個(gè)問(wèn)題可以談?wù)?，那就是發(fā)熱的問(wèn)題。如果沒(méi)有什么意外，我想在下一篇文章說(shuō)說(shuō)主要元件的熱都是如何產(chǎn)生的，又可以如何對(duì)其進(jìn)行估計(jì)，可能會(huì)涉及到一些計(jì)算或是估算，有興趣的可以繼續(xù)關(guān)注。