BUCK变换器的PCB布局及设计是什么
1、buck变换器关键回路和关键节点
不管是什么类型的变换器，pcb布局设计的关键就是要找到电路系统的关键回路和关键节点，那么什么是电路系统的关键回路和关键节点？通常，电流变化率di/dt大的环路以及电压变化率dv/dt大的节点，就是关键回路和关键节点，在pcb布局设计的时候，要优先考虑和布局。
buck变换器上管开通以及关断时，各环路的电流及波形如图1所示。
（a）上管开通的电流回路
（b）上管关断的电流回路
（c）l1和l2环路的电流波形
（d）开关节点sw工作电压
（e）buck的工作电流环路
图1：buck的工作电流环路及波形
如果把l1称为输入回路，l2称为输出回路；下管的s源极到输入电容的地，称为输入地，下管的s源极到输出入电容的地，称为输出地，可以发现：
（1）l1回路的电流、包括输入地，都是脉冲的电流波形，电流波形的前沿和后沿，具有非常大的电流变化率di/dt。
（2）l2回路的电流、包括输出地，相当于直流电流上面，叠加了峰峰值比较小的交流三角波，电流波形的前沿和后沿，具有较小的电流变化率di/dt。
因此，具有 非常大的电流变化率di/dt的输入回路 ，也就是l1回路，包括 输入地 ，是 强磁场发射的干扰源 。
如果查看电压的波形，输入电压、输出电压及地回路，都是稳定的电压，而 开关节点sw的电压 ，在上管开通和关断的过程中，产生 非常大的电压变化率dv/dt ，是 强电场发射的干扰源 。
2、buck变换器pcb基本的设计和布局要求
根据buck变换器的工作原理、各个回路的电流特性以及开关节点的电压特性，就很容易的得到buck变换器pcb布局的基本原则：
（1）输入回路l1，包括输入地，回路要尽可能的短，也就是输入电容cin的正端尽可能靠近上管的漏极d、输入电容cin的地端尽可能靠近下管的源极s，回路的布线要尽可能的粗，从而减小环路的寄生电感，减小磁场干扰。
必要的时候，在上管的漏极d和下管的源极s之间最近的距离，放置一个小尺寸的去耦陶瓷电容。
输入回路尽可能短、布线粗，可以减小杂散电阻，减小其导通损耗，有利于散热。
（2）输出回路l2，包括输出地，磁场干扰不大，但是，输出电流通常比较大，要尽可能减小环路，布线尽可能的粗，减小杂散电阻，减小其导通损耗，也有利于散热，可以提高系统的效率。在一定的程度上，也可以减小磁场干扰。
（3）开关节点sw的面积要尽可能的小，从而减小节点的寄生电容，减小电场干扰。但是，这个节点要铺设铜皮，加强功率mosfet的散热，因此，要在散热和emi(电场发射干扰)的设计之间取得平衡，必要的时候，需要加吸收电路，减小电压变化率。
其他的注意事项还有：
（4）所有的反馈信号以及模拟小信号，要远离上面干扰大的回路和节点，并尽可能用较细的布线。控制ic或变换器的下面不要流过开关电流。电流取样信号要采用开尔文kevin的连接方式，电流取样信号的rc滤波网络，要尽可能靠近ic的管脚。
图2：电流取样信号
（5）输入和输出电容的地，通过多个过孔连接到底层或内层的地平面，如果器件底部有电气特性为地的铜皮，也可以通过多个过孔连接到底层或内层的地平面，加强散热。
（6）dc电源和dc地，相当于交流地，可以屏蔽干扰信号，因此尽可能不要做分割。如果分割不可避免，尽可能减小信号线的数量和长度，小信号尽可能和大信号平面用交流地进行隔离。
（7）功率mosfet的栅极gate驱动环路要尽可能短，并使用平行走线。功率mosfet的源极d和漏极s，尽可能用铜皮布线，如图3所示。
(a) 好的布线 (b) 不好布线
图3：功率mosfet的布线
（8）2层板的电源系统，顶层为元件和功率回路层，底层为小信号和地平面层。4层或6层板，可以采用下面的方案。
表1：4层板各层分配
表2：6层板各层分配
3、buck变换器pcb设计布局实例
3.1 分立方案
上管、下管采用分立功率mosfet，上管、下管常用的排布有二种布局：
（1）上管、下管一个水平，一个垂直，成90度，如图4示；
（2）上管、下管水平排列，如图5所示。
基本的原则是： 先布局主功率回路，特别是输入电容、功率mosfet回路，然后布局电感和输出电容回路，考虑功率地、小信号地的分区；最后，在小信号地一侧，布局相关的信号线 。
(a) 优化布局
(b) 较差布局
图4：垂直排列分立器件buck布局
图4中的二种布局，图4（a）的输入环路以及输入地，比图4（b）要小很多，因此，图4（a）布局更优化。
(a) 顶层布局
(b) 高频电容
(c) 高频电容放置背面底层
图5：水平排列分立器件buck布局
图5的布局中，cin距离较远，输入环路以及输入地比较大，但是这种布局适合多管并联，可以通过在pcb背面加高频滤波电容，减小buck电路的电流环路。
3.2 集成方案
集成方案是指集成上管和下管的buck变换器ic，下面这些设计来源于一些厂家器件数据表推荐的布局，以及一些客户工程师实际的设计。
基本的原则和上面相同：先布局主功率回路，特别是输入电容、ic的地回路，然后布局输出电容，考虑功率地、小信号地的分区；最后，在小信号地一侧，布局相关的信号线。
(a) 布局1
(b) 布局2
(c) 布局3
图6：sot23几种pcb布局
按图4的分析方法，分别画出图6中上管开通、关断的电流路径，可以发现：
（1）图6(a)的电流路径要穿过ic底部，回到下面输入电容的地，电流路径较长，功率地（ic的gnd管脚左上角区域）、小信号地（ic的gnd管脚右边区域）也做到严格分区，优点是：开关节点sw在顶层直接连接到电感。
（2）图6(b)的电流路径最短，功率地（ic的gnd管脚左上角区域pgnd）、小信号地（ic的gnd管脚右边区域sgnd）严格分区，如图7所示，缺点是：开关节点sw要通过过孔，连接到电感。
图7：sot23布局2电流路径
（3）图6(c )中，ic右边管脚附近元件、连接到boot管脚的一个电阻和一个电容，让输出电容的地，不能直接回到ic的gnd管脚，输出电容的地和ic的gnd管脚的连接有二个回路：一个是通过ic底部的过孔、输出电容的地附近过孔，和底层的地平面，形成连接回路；另一个是输出电容的地，通过顶层铜皮，从ic下方绕回到ic的gnd管脚以及输入电容的地。
这种布局设计电流路径最长，功率地、小信号地没有分区，开关节点sw要通过过孔，连接到电感，因此，布局设计比较差。
sot23器件底部有电气特性为地的铜皮，在pcb对应的焊盘上，可以布设多个过孔，连接到底层或内层的地平面，加强散热，如图8所示，在许可的条件下，尽可能多布设过孔， 过孔直径要选择合适，保证焊接后，既不漏锡，锡也要填满过孔 。
图8：下部有铜皮sot23 pcb布局
图9列出了so8封装的几种pcb设计布局，有兴趣的可以按照上面的方法，分析一下它们的优缺点。
(a) 布局1
(b) 布局2
(c) 布局3
图9：下部有铜皮so8几种pcb布局
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buck变换器上管开通以及关断时，各环路的电流及波形如图1所示。
（a）上管开通的电流回路
（b）上管关断的电流回路
（c）l1和l2环路的电流波形
（d）开关节点sw工作电压
（e）buck的工作电流环路
图1：buck的工作电流环路及波形
如果把l1称为输入回路，l2称为输出回路；下管的s源极到输入电容的地，称为输入地，下管的s源极到输出入电容的地，称为输出地，可以发现：
（1）l1回路的电流、包括输入地，都是脉冲的电流波形，电流波形的前沿和后沿，具有非常大的电流变化率di/dt。
（2）l2回路的电流、包括输出地，相当于直流电流上面，叠加了峰峰值比较小的交流三角波，电流波形的前沿和后沿，具有较小的电流变化率di/dt。
因此，具有 非常大的电流变化率di/dt的输入回路 ，也就是l1回路，包括 输入地 ，是 强磁场发射的干扰源 。
如果查看电压的波形，输入电压、输出电压及地回路，都是稳定的电压，而 开关节点sw的电压 ，在上管开通和关断的过程中，产生 非常大的电压变化率dv/dt ，是 强电场发射的干扰源 。
2、buck变换器pcb基本的设计和布局要求
根据buck变换器的工作原理、各个回路的电流特性以及开关节点的电压特性，就很容易的得到buck变换器pcb布局的基本原则：
（1）输入回路l1，包括输入地，回路要尽可能的短，也就是输入电容cin的正端尽可能靠近上管的漏极d、输入电容cin的地端尽可能靠近下管的源极s，回路的布线要尽可能的粗，从而减小环路的寄生电感，减小磁场干扰。
必要的时候，在上管的漏极d和下管的源极s之间最近的距离，放置一个小尺寸的去耦陶瓷电容。
输入回路尽可能短、布线粗，可以减小杂散电阻，减小其导通损耗，有利于散热。
（2）输出回路l2，包括输出地，磁场干扰不大，但是，输出电流通常比较大，要尽可能减小环路，布线尽可能的粗，减小杂散电阻，减小其导通损耗，也有利于散热，可以提高系统的效率。在一定的程度上，也可以减小磁场干扰。
（3）开关节点sw的面积要尽可能的小，从而减小节点的寄生电容，减小电场干扰。但是，这个节点要铺设铜皮，加强功率mosfet的散热，因此，要在散热和emi(电场发射干扰)的设计之间取得平衡，必要的时候，需要加吸收电路，减小电压变化率。
其他的注意事项还有：
（4）所有的反馈信号以及模拟小信号，要远离上面干扰大的回路和节点，并尽可能用较细的布线。控制ic或变换器的下面不要流过开关电流。电流取样信号要采用开尔文kevin的连接方式，电流取样信号的rc滤波网络，要尽可能靠近ic的管脚。
图2：电流取样信号
（5）输入和输出电容的地，通过多个过孔连接到底层或内层的地平面，如果器件底部有电气特性为地的铜皮，也可以通过多个过孔连接到底层或内层的地平面，加强散热。
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（7）功率mosfet的栅极gate驱动环路要尽可能短，并使用平行走线。功率mosfet的源极d和漏极s，尽可能用铜皮布线，如图3所示。
(a) 好的布线 (b) 不好布线
图3：功率mosfet的布线
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(a) 顶层布局
(b) 高频电容
(c) 高频电容放置背面底层
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(c) 布局3
图6：sot23几种pcb布局
按图4的分析方法，分别画出图6中上管开通、关断的电流路径，可以发现：
（1）图6(a)的电流路径要穿过ic底部，回到下面输入电容的地，电流路径较长，功率地（ic的gnd管脚左上角区域）、小信号地（ic的gnd管脚右边区域）也做到严格分区，优点是：开关节点sw在顶层直接连接到电感。
（2）图6(b)的电流路径最短，功率地（ic的gnd管脚左上角区域pgnd）、小信号地（ic的gnd管脚右边区域sgnd）严格分区，如图7所示，缺点是：开关节点sw要通过过孔，连接到电感。
图7：sot23布局2电流路径
（3）图6(c )中，ic右边管脚附近元件、连接到boot管脚的一个电阻和一个电容，让输出电容的地，不能直接回到ic的gnd管脚，输出电容的地和ic的gnd管脚的连接有二个回路：一个是通过ic底部的过孔、输出电容的地附近过孔，和底层的地平面，形成连接回路；另一个是输出电容的地，通过顶层铜皮，从ic下方绕回到ic的gnd管脚以及输入电容的地。
这种布局设计电流路径最长，功率地、小信号地没有分区，开关节点sw要通过过孔，连接到电感，因此，布局设计比较差。
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图8：下部有铜皮sot23 pcb布局
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(a) 布局1
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