Buck转换器的PCB设计原则是什么

上周处理了一个客户遇到的问题，是关于LED驱动器RT8452的应用。这一次，客户所用的架构为Buck，负载电流超过了30A，是LED应用中我遇到过的最大电流，核心部分采用了我们多年前提供的电路结构，但控制部分的设计超出我的意料，没有用IC自身的特性而用其他方法来实现同样的功能，花了些冤枉钱。RT8452本初的设计理念是根据LED的特性推理出来的，完全没有按照市场需求来做，那时也还没有形成大电流LED驱动的市场，但却由此成就了一款全功能的理想器件，只是在现实中能把这些理想全部实现的应用太少，所以很难找到充分发挥其才能的机会。如果你在LED驱动方面有什么特别的想法，请与我联络，希望可以帮你想办法去实现它，前几日就遇到了这样一起案例，我把一款老掉牙的产品挖出来推荐给同事，帮助客户实现了可调微光照明的效果，说不定你也正需要这样的东西呢。

一旦遇到大电流，设计中出现问题的机会就不会少，最常遇见的是地回路设计上的问题。很多人会忘了电流需要从地回路回流，其路径需要短而且粗，跨层的时候需要打足够的孔，还要避开敏感的电路部分以避免出现干扰。上期文章所谈的设计问题中就包含了这部分内容，虽然指出了原因，但是有的读者显然还不满足，在交流中出现了希望看到参考图的呼声。遇到这种状况的时候，我一般都会首先建议当事人自己做些尝试，然后我才会提供答案，其目的是希望通过这种思考让提问者得到提升，因为思考的意义是最重大的，我们必须经历这种训练。下面的内容可以算是我的回应了，仅供参考。

先对问题做些回顾：RT6224A是输入电压范围为4.5V-18V、负载能力3A、最大占空比为90%的ACOT 架构Buck转换器，具有非常优秀的瞬态响应能力。客户用它完成5V转4V的任务，但实际负载能力不足，即使改用了正确的电感量，负载能力已经可以满足应用的需要了，但仍然不能达到3A的额定负载能力。造成这一困局的原因有两个：反馈信号取样点错误；地回路设计不恰当。另外提到过的SW节点太大的问题不会造成电路工作不正常，所以没有纳入考虑范畴中。为了清楚地看到这些问题，再次把实际的PCB设计图放在下面：

上图中，输入电容和输出电容之间的GND设计得非常好，但与IC的GND之间就看不到明确的连接关系，完全可以认为是随意连接的，会带来什么影响实在是说不清楚，反正就是负载能力不行。我这样说话有一点模仿的性质，这也是部分人在描述问题时常用的语言，有现象，没原因，什么问题说不清，这是需要通过训练来改变的。

Buck转换器的GND到底应该如何设计呢？下图应该是一个很好的说明：

我猜想有很多人都看到过这幅图，能把它用好的就不知道有多少了。在这幅图中，功率地和模拟地被严格地分开并形成星型连接。由于没有构成回路，开关回路中的大电流没有可能流过模拟地，控制器处在相对稳定的参考点上，大电流及其变化所形成的信号对它没有什么影响，因而对稳定工作就没有什么大的影响。

在全集成化的IC中，模拟地和功率地是融合为一体的，如下原理图所示，芯片只有一个接地点。

IC只有一个GND端子，模拟地和功率地要想分开来出线就很难（要换封装要花钱的）。下面再展示一下内部电路框图，它们在内部还是被分开的，到了封装打线时才会被连接起来。

由于IC内部的路径很短，其电阻、电感都很小，电流流过及其变化对控制部分的影响还是有限的，保证稳定工作应该没有问题，否则也不至于能够被生产出来，想让它正常工作的关键还是在应用中的设计上。

客户在开始工作前有没有拿到可供参考的PCB设计图呢？当然是有的，规格书的应用说明部分就有下面的图片可供参考：

规格书中的参考图不一定是最佳的设计，但基本的性能应该是有保障的。为什么有参考设计也会出现问题呢？问题恐怕还是出在上期文章提到的问题上，规格书很重要，但有很多人没有养成阅读的习惯，即便是阅读，可能好些细节也不会太关心，看见了也不会太在意。有很多公司的电路设计者和PCB设计者是分离的，具体的一些要求可能也不能全部传递到PCB设计者那里，有的建议也可能会被这种安排忽略掉。

作为一个工程师，当你看到上图的时候需要做什么事情呢？你需要根据电路的两种工作状态将两个电流回路图画出来，就像下图这样：

上图中，红色线所围成的环路是上桥开关导通时的电流流动路径，蓝色线所围成的环路是下桥开关导通时的电流流动路径。为了让电路工作良好，这两个环路都应该做到路径尽可能粗，周长尽可能短，回路面积尽可能小。同时，由于电流在两个环路之间切换，它们之间不重合的部分就形成了一个电流存在高速变化的环路（黄色线围起来的部分）。为了让对外的电磁辐射最小化，两个回路间的差异形成的黄色回路的面积应该被优先最小化，其他部分的最小化要在这一原则得到满足以后再去尽可能地满足，这样就可以得到最佳化的设计。整个设计的过程就是不断进行这一优化的迭代过程，直至再无改进的空间，结果就是你不想得到最优都不可能。

利用同样的原则，设计还可以这样做：在上图中，将输出电容COUT以VOUT字串所在位置为中心向左侧翻转，与IC底部的GND铜箔向上延伸以后的新铜箔连接在一起；将输入电容CIN以字串VIN所在位置为中心向下侧翻转，与下部的GND铜箔连接在一起。这样做了以后，最右侧的那段长长的GND铜箔就是可有可无的了，同时，其它元件的布置和走线也要相应做些改变，但由于不是大电流通道，设计上的灵活性会大很多，你可以自行考虑要如何做。