少花冤枉錢，Buck轉換器PCB設計需要注意這些原則

上周處理了一個客戶遇到的問題，是關于LED驅動器RT8452的應用。這一次，客戶所用的架構為Buck，負載電流超過了30A，是LED應用中我遇到過的最大電流，核心部分采用了我們多年前提供的電路結構，但控制部分的設計超出我的意料，沒有用IC自身的特性而用其他方法來實現(xiàn)同樣的功能，花了些冤枉錢。RT8452本初的設計理念是根據(jù)LED的特性推理出來的，完全沒有按照市場需求來做，那時也還沒有形成大電流LED驅動的市場，但卻由此成就了一款全功能的理想器件，只是在現(xiàn)實中能把這些理想全部實現(xiàn)的應用太少，所以很難找到充分發(fā)揮其才能的機會。如果你在LED驅動方面有什么特別的想法，請與我聯(lián)絡，希望可以幫你想辦法去實現(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)品挖出來推薦給同事，幫助客戶實現(xiàn)了可調微光照明的效果，說不定你也正需要這樣的東西呢。

一旦遇到大電流，設計中出現(xiàn)問題的機會就不會少，最常遇見的是地回路設計上的問題。很多人會忘了電流需要從地回路回流，其路徑需要短而且粗，跨層的時候需要打足夠的孔，還要避開敏感的電路部分以避免出現(xiàn)干擾。上期文章所談的設計問題中就包含了這部分內容，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。遇到這種狀況的時候，我一般都會首先建議當事人自己做些嘗試，然后我才會提供答案，其目的是希望通過這種思考讓提問者得到提升，因為思考的意義是最重大的，我們必須經(jīng)歷這種訓練。下面的內容可以算是我的回應了，僅供參考。

先對問題做些回顧：RT6224A是輸入電壓范圍為4.5V-18V、負載能力3A、最大占空比為90%的ACOT? 架構Buck轉換器，具有非常優(yōu)秀的瞬態(tài)響應能力?？蛻粲盟瓿?V轉4V的任務，但實際負載能力不足，即使改用了正確的電感量，負載能力已經(jīng)可以滿足應用的需要了，但仍然不能達到3A的額定負載能力。造成這一困局的原因有兩個：反饋信號取樣點錯誤；地回路設計不恰當。另外提到過的SW節(jié)點太大的問題不會造成電路工作不正常，所以沒有納入考慮范疇中。為了清楚地看到這些問題，再次把實際的PCB設計圖放在下面：

上圖中，輸入電容和輸出電容之間的GND設計得非常好，但與IC的GND之間就看不到明確的連接關系，完全可以認為是隨意連接的，會帶來什么影響實在是說不清楚，反正就是負載能力不行。我這樣說話有一點模仿的性質，這也是部分人在描述問題時常用的語言，有現(xiàn)象，沒原因，什么問題說不清，這是需要通過訓練來改變的。

Buck轉換器的GND到底應該如何設計呢？下圖應該是一個很好的說明：

我猜想有很多人都看到過這幅圖，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格地分開并形成星型連接。由于沒有構成回路，開關回路中的大電流沒有可能流過模擬地，控制器處在相對穩(wěn)定的參考點上，大電流及其變化所形成的信號對它沒有什么影響，因而對穩(wěn)定工作就沒有什么大的影響。

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，芯片只有一個接地點。

IC只有一個GND端子，模擬地和功率地要想分開來出線就很難（要換封裝要花錢的）。下面再展示一下內部電路框圖，它們在內部還是被分開的，到了封裝打線時才會被連接起來。

由于IC內部的路徑很短，其電阻、電感都很小，電流流過及其變化對控制部分的影響還是有限的，保證穩(wěn)定工作應該沒有問題，否則也不至于能夠被生產(chǎn)出來，想讓它正常工作的關鍵還是在應用中的設計上。

客戶在開始工作前有沒有拿到可供參考的PCB設計圖呢？當然是有的，規(guī)格書的應用說明部分就有下面的圖片可供參考：

規(guī)格書中的參考圖不一定是最佳的設計，但基本的性能應該是有保障的。為什么有參考設計也會出現(xiàn)問題呢？問題恐怕還是出在上期文章提到的問題上，規(guī)格書很重要，但有很多人沒有養(yǎng)成閱讀的習慣，即便是閱讀，可能好些細節(jié)也不會太關心，看見了也不會太在意。有很多公司的電路設計者和PCB設計者是分離的，具體的一些要求可能也不能全部傳遞到PCB設計者那里，有的建議也可能會被這種安排忽略掉。

作為一個工程師，當你看到上圖的時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)將兩個電流回路圖畫出來，就像下圖這樣：

上圖中，紅色線所圍成的環(huán)路是上橋開關導通時的電流流動路徑，藍色線所圍成的環(huán)路是下橋開關導通時的電流流動路徑。為了讓電路工作良好，這兩個環(huán)路都應該做到路徑盡可能粗，周長盡可能短，回路面積盡可能小。同時，由于電流在兩個環(huán)路之間切換，它們之間不重合的部分就形成了一個電流存在高速變化的環(huán)路（黃色線圍起來的部分）。為了讓對外的電磁輻射最小化，兩個回路間的差異形成的黃色回路的面積應該被優(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計。整個設計的過程就是不斷進行這一優(yōu)化的迭代過程，直至再無改進的空間，結果就是你不想得到最優(yōu)都不可能。

利用同樣的原則，設計還可以這樣做：在上圖中，將輸出電容COUT以VOUT字串所在位置為中心向左側翻轉，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翻轉，與下部的GND銅箔連接在一起。這樣做了以后，最右側的那段長長的GND銅箔就是可有可無的了，同時，其它元件的布置和走線也要相應做些改變，但由于不是大電流通道，設計上的靈活性會大很多，你可以自行考慮要如何做。

對于我所說的任何東西，我希望你都能表示質疑，不要迷信，就像我會對參考設計表示懷疑一樣，即使它已經(jīng)很好了。在這個世界上，除了極其稀有的覺悟者以外，沒有人說話做事是永不犯錯的，你能指出我的錯，這是我的幸運，我首先得要感謝你，是你讓我有機會離真理更近一步。同時，我也希望你我能把這種功夫用在自己身上，反復審視自己，審視自己的所作所為，這樣我們就都能進步了。學習探討這些技術問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。

轉載自RichtekTechnology。