BUCK 電路的紋波噪聲主要源于其工作原理中的開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)電路中的開關(guān)管(如 MOS 管)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，電感電流會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)，這便是輸出電壓紋波的主要成因。同時(shí)，電路中的寄生電感和電容，如 PCB 走線電感、MOS 管引線電感以及電感的寄生電容等，在開關(guān)切換瞬間會(huì)形成 LC 振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生高頻噪聲。例如，在 MOS 管關(guān)閉時(shí)，其 CDS 寄生電容與寄生電感相互作用，引發(fā)高頻振蕩，這些噪聲通過各種途徑耦合到輸出端，疊加在輸出電壓上，嚴(yán)重影響電源的穩(wěn)定性和純凈度。

PCB 布局優(yōu)化策略

減小輸入高 di/dt 回路

在 BUCK 電路中，輸入回路由輸入電容 CIN、上管 HS 和下管 LS 組成。HS 和 LS 的頻繁開關(guān)動(dòng)作使得輸入環(huán)路電流呈現(xiàn)非連續(xù)性，這極易引起 SW 節(jié)點(diǎn)電壓的振蕩。輸入環(huán)路面積越大，振蕩就越劇烈，不僅會(huì)增加開關(guān)管的電壓應(yīng)力，還會(huì)導(dǎo)致更多的噪聲產(chǎn)生。因此，在 PCB 布局時(shí)，應(yīng)將輸入電容盡可能靠近 HS 和 LS，以確保輸入環(huán)路最小化。通過這種方式，可有效降低開關(guān)節(jié)點(diǎn) SW 的振蕩幅度，從而減少紋波噪聲的產(chǎn)生。例如，在一些實(shí)際設(shè)計(jì)中，將輸入電容從距離開關(guān)管較遠(yuǎn)的位置調(diào)整到緊密相鄰，開關(guān)節(jié)點(diǎn) SW 的振蕩明顯減弱，輸出紋波噪聲也隨之降低。

合理規(guī)劃輸出電容位置

輸出電容在平滑輸出電壓、降低紋波方面起著關(guān)鍵作用。然而，多個(gè)電容并聯(lián)時(shí)，若布局不當(dāng)，會(huì)引入額外的寄生電感和電阻，反而影響濾波效果。在布局輸出電容時(shí)，應(yīng)將其放置在不與輸入電容切換路徑發(fā)生重疊的地方，避免高頻噪聲串入輸出電壓中。同時(shí)，要盡量使多個(gè)輸出電容靠近負(fù)載，以減少寄生電感的影響。此外，在實(shí)際布局中，還需注意電容的排列方式，避免因電容之間的相互耦合而產(chǎn)生新的噪聲源。例如，采用交錯(cuò)排列的方式，可有效減少電容之間的耦合效應(yīng)。

優(yōu)化開關(guān)節(jié)點(diǎn)和敏感電路布局

開關(guān)切換節(jié)點(diǎn)和 BOOT 引腳在工作時(shí)含有很高的電壓變化率 dV/dt，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電場(chǎng)輻射。因此，其銅箔面積應(yīng)當(dāng)保持最小化，并且要避開其它敏感電路。在布局時(shí)，可在開關(guān)節(jié)點(diǎn)和敏感電路之間設(shè)置隔離帶，或者通過合理的布線方式，將開關(guān)節(jié)點(diǎn)的布線與敏感電路的布線分開，避免相互干擾。同時(shí)，對(duì)于開關(guān)節(jié)點(diǎn)的布線，應(yīng)盡量縮短其長(zhǎng)度，減少寄生電感和電容的影響。例如，在一些對(duì)噪聲要求極高的電路中，采用多層 PCB 設(shè)計(jì)，將開關(guān)節(jié)點(diǎn)的布線單獨(dú)放在一層，并通過接地層進(jìn)行隔離，有效降低了電場(chǎng)輻射對(duì)敏感電路的干擾。

布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

控制布線長(zhǎng)度和寬度

在 PCB 布線中，布線長(zhǎng)度和寬度對(duì)電路的性能有著重要影響。對(duì)于承載大電流的布線，如電感的連接線路，應(yīng)盡量縮短其長(zhǎng)度，以減小寄生電感。同時(shí)，適當(dāng)增加布線寬度，可降低線路電阻，減少功率損耗和電壓降。例如，在設(shè)計(jì)電感的連接線路時(shí)，將原本較長(zhǎng)的布線縮短，并將寬度從 0.5mm 增加到 1mm，電感電流的紋波明顯減小，輸出電壓的穩(wěn)定性得到顯著提升。

避免布線交叉和銳角

布線交叉和銳角會(huì)增加寄生電感和電容，導(dǎo)致信號(hào)傳輸過程中的反射和干擾，從而影響電路的性能。在布線時(shí)，應(yīng)盡量避免布線交叉，對(duì)于無法避免的交叉情況，可采用過孔或跳線的方式進(jìn)行連接。同時(shí)，布線應(yīng)采用圓角或 45 度角，避免出現(xiàn)銳角。例如，在一些復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化布線布局，避免了布線交叉和銳角的出現(xiàn)，電路的高頻性能得到了明顯改善，紋波噪聲也有所降低。

合理使用過孔

過孔在連接不同層的線路時(shí)起著重要作用，但過孔本身具有一定的電感量，會(huì)增加回路電感。因此，在使用過孔時(shí)，應(yīng)盡量減少過孔的數(shù)量，并選擇合適的過孔尺寸。同時(shí)，可通過在過孔周圍增加接地過孔的方式，降低過孔的電感影響。例如，在連接退藕電容和 IC 的地到地線層時(shí)，采用多個(gè)接地過孔環(huán)繞主過孔的方式，有效降低了過孔的電感，提高了電路的穩(wěn)定性。

接地設(shè)計(jì)技巧

采用完整的接地平面

在 PCB 設(shè)計(jì)中，采用完整的接地平面是降低紋波噪聲的重要手段。接地平面能夠?yàn)樾盘?hào)提供低阻抗的回流路徑，減少信號(hào)回流過程中的干擾。同時(shí)，接地平面還能起到屏蔽作用，減少外界電磁場(chǎng)對(duì)電路的影響。在設(shè)計(jì)多層 PCB 時(shí)，可將完整的地線層放在第二層，使其直接位于承載了大電流的頂層的下面。例如，在一些實(shí)際應(yīng)用中，采用完整接地平面設(shè)計(jì)后，電路的輻射噪聲明顯降低，紋波噪聲也得到了有效抑制。

單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地結(jié)合

對(duì)于不同類型的電路模塊，應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)選擇合適的接地方式。對(duì)于模擬電路部分，通常采用單點(diǎn)接地方式，以避免地電位差引起的干擾。而對(duì)于數(shù)字電路部分，由于其工作頻率較高，采用多點(diǎn)接地方式可降低接地阻抗，減少高頻噪聲的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可將模擬地和數(shù)字地通過一個(gè)低阻抗的磁珠或電感連接在一起，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的結(jié)合。例如，在一個(gè)同時(shí)包含模擬和數(shù)字電路的 BUCK 電源設(shè)計(jì)中，通過合理運(yùn)用單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地結(jié)合的方式，有效減少了模擬電路和數(shù)字電路之間的相互干擾，提升了電源的整體性能。

優(yōu)化接地連接

接地連接的質(zhì)量直接影響接地效果。在連接接地引腳時(shí)，應(yīng)盡量縮短連接線路的長(zhǎng)度，并且確保連接牢固可靠。同時(shí)，可通過增加接地過孔的數(shù)量和尺寸，提高接地連接的可靠性。例如，在一些對(duì)接地要求較高的電路中，采用大面積的接地焊盤，并在焊盤上增加多個(gè)過孔與接地平面相連，有效降低了接地電阻，提高了接地的有效性。

案例分析

為了更直觀地展示通過 PCB 設(shè)計(jì)減少紋波噪聲的效果，我們來看一個(gè)實(shí)際案例。在某電子產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)中，采用了常規(guī) BUCK 電路。初始設(shè)計(jì)時(shí)，未對(duì) PCB 布局和布線進(jìn)行優(yōu)化，輸出電壓紋波較大，無法滿足產(chǎn)品對(duì)電源質(zhì)量的要求。經(jīng)過對(duì)電路的分析，發(fā)現(xiàn)輸入電容距離開關(guān)管較遠(yuǎn)，輸入環(huán)路面積較大，同時(shí)輸出電容布局不合理，多個(gè)電容之間的寄生電感和電阻較大。針對(duì)這些問題，對(duì) PCB 進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將輸入電容靠近開關(guān)管，減小輸入環(huán)路面積，優(yōu)化輸出電容的布局和排列方式，并對(duì)布線進(jìn)行了優(yōu)化，減少了布線交叉和銳角。經(jīng)過重新設(shè)計(jì)后，通過實(shí)際測(cè)試，輸出電壓紋波明顯降低，從原來的幾十毫伏降低到了幾毫伏，滿足了產(chǎn)品的使用要求，產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性得到了顯著提升。

總結(jié)

通過合理的 PCB 布局、布線和接地設(shè)計(jì)，可以有效地減少常規(guī) BUCK 電路中的紋波噪聲，提高電源的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮電路的工作原理和特點(diǎn)，結(jié)合各種設(shè)計(jì)技巧和方法，針對(duì)紋波噪聲的來源進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。同時(shí)，還需要通過實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證，不斷調(diào)整和完善設(shè)計(jì)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電源性能的嚴(yán)格要求。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電源質(zhì)量的要求也越來越高，通過 PCB 設(shè)計(jì)減少紋波噪聲的方法將在未來的電源設(shè)計(jì)中發(fā)揮更加重要的作用。