关于Buck和Boost转换器的文章我已经写过不少，但专门探讨PCB布局设计的却不多。这篇就来深入聊聊这个话题。
大多数DCDC芯片的数据手册都会提供PCB布局设计指南，有些还会附上布局示意图，这些建议通常是大同小异的。
以Buck电路为例，随便列举几个常见的设计要点：
- 输入电容和二极管应与IC放在同一层，并尽可能靠近IC放置。
- 电感应靠近芯片的SW引脚，输出电容则应靠近电感。
- 反馈回路应远离电感、SW引脚和二极管等噪声源。
那么，你知道这些设计要点背后的原理是什么吗？
在实际设计中，我们常会遇到具体芯片的引脚排布并不理想的情况，此时可能无法同时满足所有要求，该怎么办？哪些是必须优先保证的，哪些可以适当妥协？
一个引脚分布不佳的Buck电路实例
例如下面这个Buck芯片，它的引脚分布就很不友好。
SW引脚位于IN和GND引脚之间。如果严格按照“输入电容靠近IN和GND”的原则放置输入滤波电容，那么SW引脚的走线就会被阻挡。而电感也需要靠近芯片放置，这就产生了矛盾。
我们来看看该芯片手册推荐的Layout方案。
手册推荐的布局确实做到了“就近放置”，但它的方法竟然是让SW信号线从输入滤波电容底下穿过，这在实际工程中通常难以实现！
我们不能完全照搬手册的这种推荐方式，但现实是，采用类似引脚分布的芯片非常多。那么，我们的Layout究竟该如何布局布线呢？
先不急着回答这个问题，我想跟大家分享一个最根本的布局设计心法：
DCDC布局的终极奥义——心中有“环”。
心中有“环”
这里的 “环”，特指有大电流流过的闭合回路。只要我们能有效控制这些回路的面积和路径，Layout就成功了一大半。
下面我们来剖析其原因。
以Buck电路为例，其工作存在两种状态：上管导通和下管（或续流二极管）导通，因此对应着两个主要的电流环路。
搞清楚这两个环路有什么用呢？
核心目标是要让这两个环路的面积尽可能小。因为每一个电流环路都可以等效为一个环形天线，会产生电磁辐射，引发EMI问题，并可能干扰板上其他电路。辐射强度与环路面积成正比。
电流环路产生的高频磁场在传播一段距离后会转换为电磁场，其辐射场强近似为：
从公式可以看出，辐射强度与环路面积（S）、电流频率的平方（f²）以及电流大小（I）均成正比。
那么，是不是只要把这两个环路的面积做到最小就可以了呢？
理论上是的，但仅仅理解到这一步还不够深入，无法突出设计重点。
从拓扑图可见，Buck的两个大环路有重叠部分，其中一个包含另一个，导致大环路中各节点的电流并不一致，因此直接套用上述公式计算整个大环路的辐射并不方便。
我们需要变通一下。电磁辐射产生的根本原因，是变化的电流产生了变化的磁场。环路所围面积内的磁通量随电流动态变化，变化的磁场产生电场，进而形成电磁波传播出去。
我们可以将那个复杂的大电流环路拆解为两个部分来分析，如下图所示：
整个大环路可以看作是 “输入环路” 和 “输出环路” 的叠加。
这可能需要一点理解：输入环路并非一个物理上独立存在的电流回路，它是两个实际电流环路的“差模”成分。这只是一种等效分析方法，目的是为了评估整个大回路中磁通量的变化情况。等效后，我们可以分别考察输入环路和输出环路的磁通变化。
- 输入环路的等效电流就是输入电容Cin的电流。
- 输出环路的等效电流就是电感的电流。
我们只关注其中的交流分量，直流分量频率为0，不会产生辐射。
在之前的《手撕Buck！Buck公式推导过程》文章中已经分析过，输入环路电流（Cin电流）和输出环路电流（电感电流）的波形分别如下：
可以明显看到，在开关切换的瞬间，输入环路电流会发生突变，即存在很高的di/dt。这意味着输入环路的磁通量变化率极大，包含了丰富的高次谐波。
根据前面的辐射公式，辐射强度与频率成正比，因此这些高次谐波更容易被辐射出去。
相比之下，输出环路电流是连续的三角波，没有突变，其高次谐波的能量要小得多。
信号强度对比
这里可能有人会质疑：三角波经过傅里叶变换后的频谱理论也是无限的，同样包含高频分量，为什么辐射就小呢？
确实如此。但三角波的高频分量幅度衰减很快，频率越高，其幅度越低，意味着高频分量的能量很微弱，因此产生的辐射也较弱。
关于这一点，我们可以通过仿真，观察电流的傅里叶变换（FFT） 频谱来验证。
使用LTspice软件进行仿真，一个5V转1.8V的Buck电路图如下：
输入环路电流（输入电容电流）和输出环路电流（电感电流）的波形如下：
获得波形后，我们查看其FFT频谱：
可以看出，基频就是Buck芯片LTC3307A的开关频率2MHz。在2MHz处，两者的强度相差不大，仅2-3个dB。但在10MHz时，强度差已经达到20dB，且频率越高，差距越大。
这说明，输入环路的高频谐波能量远大于输出环路。有经验的工程师会知道，导致EMI测试超标的多半是高频段。因此，由输入环路引发EMI问题的概率要高得多。
我花了这么多篇幅分析，核心就是为了强调一个结论：
Buck电路的输入环路至关重要，必须将其环路面积做到最小。
另一点需要注意的是，我们要最小化的是环路面积，而不仅仅是走线长度。 两者有所区别，有时走线短并不代表环路面积小。我们的终极目标是减小环路所包围的面积。
在布局走线时，应尽量将环路走成扁平的形状。
回到开头的DCDC芯片布局难题
现在回到文章开头那个引脚分布不佳的Buck芯片。它的输入环路指的是什么呢？
显然，该芯片的开关管集成在内部，因此输入环路就是由芯片的IN引脚、GND引脚以及输入滤波电容构成的环路。除了芯片本身，这个环路中唯一的器件就是输入滤波电容。
所以，最理想的布局就是直接将输入滤波电容跨接在芯片的IN脚和GND脚之间。从这一点看，芯片手册的推荐布局思路是符合的，只不过它为了实现这一点，让SW信号线从电容下方穿过，这在实际中很难操作。
这颗DCDC芯片的推荐布局确实保证了输入环路最小化，但将SW走在电容下面的做法通常不现实，因为电容下方很难布置足够宽的铜皮来承载开关电流。
那该怎么办呢？
或许有人会想到将输入滤波电容放置在PCB背面，在Vin和GND管脚的正下方打孔连接，这样看起来环路面积也较小。
我的看法是：如果有其他更好的布局方式，应尽量避免这样做。
因为过孔会引入寄生电感，增加环路的总体电感量，可能引发LC谐振。直观表现就是在SW节点产生很高的振铃电压。高振铃意味着环路中谐振频率的信号分量非常强。
也就是说，虽然环路面积小了（天线效应减弱），但信号强度增大了，最终的辐射效果未必会变好。
关于振铃，以前专门写过《BUCK的振铃实验与分析》，可以参考。
一个实际教训
多年前，我曾遇到一个案例：将电源芯片的输入滤波电容放在背面并通过过孔连接，结果导致整板噪声很大。而将滤波电容手动用导线跨接到芯片的Vin和GND引脚上后，问题立即消失。
当时很不解，觉得过孔数量不少，电容也在底部就近放置，怎么还会有问题？几个过孔的威力这么大吗？
后来专门改版解决，将输入滤波电容与芯片放在同一层，并在表层直接连接，问题便迎刃而解。
综上所述，Buck电路布局的重中之重是输入滤波电容的布局布线，这是第一优先考虑项。
如果是异步Buck电路，还会有一个外置的续流二极管，它也是输入环路的一部分。其布局的重要性与输入滤波电容同级，需要靠近芯片的SW引脚放置。具体如何摆放，核心准则依然是如何使整个输入环路的面积最小。
输出环路的重要性
前面花了大量篇幅强调输入环路，那输出环路就不重要了吗？
当然不是。 从前面的FFT频谱也能看出，输出环路同样包含高频分量，因此输出环路也应尽可能小。只是在输入与输出环路布局发生冲突时，应优先保证输入环路。
我的布局方案
总而言之，如果让我来对文章开头提到的那个Buck芯片进行布局，我会这样处理：
Boost电路的情况分析
以上讨论的是Buck电路，那么Boost电路的情况又如何呢？
对Boost电路而言，最重要的也是输入回路吗？需要优先考虑输入滤波电容吗？
答案是否定的。
Boost电路也有两个工作环路，如下图所示：
与Buck类似，我们也可以将其分解为输入环路和输出环路。可以看到，输出环路是两个实际环路的“差模”成分。
与Buck不同之处在于：Boost的电感位于输入环路，其电流是连续的三角波；而输出环路的电流就是续流二极管的电流，是存在突变的。
在之前的《手撕Boost！Boost公式推导及实验验证》文章中已经分析了这两个电流，波形如下：
也就是说，对于Boost电路，最关键的是输出回路（其电流有突变），其地位类似于Buck电路中的输入回路。我们需要优先保障Boost输出环路的面积最小化。
其他布局注意事项
除了处理大的功率电流环路，对于FB（反馈）、补偿电路等小信号走线，需要尽量远离上述大电流环路和电感等噪声源。
例如下图中，左侧的布局就优于右侧：
另外需注意，在规划大电流回路时，必须将GND地路径作为环路的一部分来考虑，避免用走线分割了大电流的回流地路径。
所以，有时你会看到底层的FB走线并不是最短的直线，而是有意绕开了一些区域。
总结
总的来说，进行DCDC的PCB布局时，我们必须做到心中有“电流环”。
在画板时，要在心里模拟：开关断开时，电流怎么流；开关导通时，电流又怎么流。然后找出电流存在突变的那一个环路，它就是布局中需要优先处理的重中之重。
这个原则不仅适用于DCDC，对于其他类型的电源电路或大功率电路设计同样适用。
理解了“环路最小化”这一核心原则，很多电路的布局甚至无需细看芯片手册中冗长的注意事项，因为手册所述无非是这一原则的具体实施方法。
从源头（环路面积）上杜绝EMI问题的产生，远比后期出现问题再尝试各种补救措施要有效得多。
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最后，文中所涉及的《硬件十万个为什么（无源器件篇）》一书，系统性地解答了电阻、电容、电感等无源器件的原理与选用规范，是硬件工程师夯实基础的优秀读物。
发表于 4 小时前
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