纹波噪声的来源剖析

BUCK 电路的纹波噪声主要源于其工作原理中的开关动作。当电路中的开关管(如 MOS 管)导通和关断时，电感电流会发生变化，导致输出电压产生波动，这便是输出电压纹波的主要成因。同时，电路中的寄生电感和电容，如 PCB 走线电感、MOS 管引线电感以及电感的寄生电容等，在开关切换瞬间会形成 LC 振荡，进而产生高频噪声。例如，在 MOS 管关闭时，其 CDS 寄生电容与寄生电感相互作用，引发高频振荡，这些噪声通过各种途径耦合到输出端，叠加在输出电压上，严重影响电源的稳定性和纯净度。

PCB 布局优化策略

减小输入高 di/dt 回路

在 BUCK 电路中，输入回路由输入电容 CIN、上管 HS 和下管 LS 组成。HS 和 LS 的频繁开关动作使得输入环路电流呈现非连续性，这极易引起 SW 节点电压的振荡。输入环路面积越大，振荡就越剧烈，不仅会增加开关管的电压应力，还会导致更多的噪声产生。因此，在 PCB 布局时，应将输入电容尽可能靠近 HS 和 LS，以确保输入环路最小化。通过这种方式，可有效降低开关节点 SW 的振荡幅度，从而减少纹波噪声的产生。例如，在一些实际设计中，将输入电容从距离开关管较远的位置调整到紧密相邻，开关节点 SW 的振荡明显减弱，输出纹波噪声也随之降低。

合理规划输出电容位置

输出电容在平滑输出电压、降低纹波方面起着关键作用。然而，多个电容并联时，若布局不当，会引入额外的寄生电感和电阻，反而影响滤波效果。在布局输出电容时，应将其放置在不与输入电容切换路径发生重叠的地方，避免高频噪声串入输出电压中。同时，要尽量使多个输出电容靠近负载，以减少寄生电感的影响。此外，在实际布局中，还需注意电容的排列方式，避免因电容之间的相互耦合而产生新的噪声源。例如，采用交错排列的方式，可有效减少电容之间的耦合效应。

优化开关节点和敏感电路布局

开关切换节点和 BOOT 引脚在工作时含有很高的电压变化率 dV/dt，会导致严重的电场辐射。因此，其铜箔面积应当保持最小化，并且要避开其它敏感电路。在布局时，可在开关节点和敏感电路之间设置隔离带，或者通过合理的布线方式，将开关节点的布线与敏感电路的布线分开，避免相互干扰。同时，对于开关节点的布线，应尽量缩短其长度，减少寄生电感和电容的影响。例如，在一些对噪声要求极高的电路中，采用多层 PCB 设计，将开关节点的布线单独放在一层，并通过接地层进行隔离，有效降低了电场辐射对敏感电路的干扰。

布线设计要点

控制布线长度和宽度

在 PCB 布线中，布线长度和宽度对电路的性能有着重要影响。对于承载大电流的布线，如电感的连接线路，应尽量缩短其长度，以减小寄生电感。同时，适当增加布线宽度，可降低线路电阻，减少功率损耗和电压降。例如，在设计电感的连接线路时，将原本较长的布线缩短，并将宽度从 0.5mm 增加到 1mm，电感电流的纹波明显减小，输出电压的稳定性得到显著提升。

避免布线交叉和锐角

布线交叉和锐角会增加寄生电感和电容，导致信号传输过程中的反射和干扰，从而影响电路的性能。在布线时，应尽量避免布线交叉，对于无法避免的交叉情况，可采用过孔或跳线的方式进行连接。同时，布线应采用圆角或 45 度角，避免出现锐角。例如，在一些复杂的电路设计中，通过优化布线布局，避免了布线交叉和锐角的出现，电路的高频性能得到了明显改善，纹波噪声也有所降低。

合理使用过孔

过孔在连接不同层的线路时起着重要作用，但过孔本身具有一定的电感量，会增加回路电感。因此，在使用过孔时，应尽量减少过孔的数量，并选择合适的过孔尺寸。同时，可通过在过孔周围增加接地过孔的方式，降低过孔的电感影响。例如，在连接退藕电容和 IC 的地到地线层时，采用多个接地过孔环绕主过孔的方式，有效降低了过孔的电感，提高了电路的稳定性。

接地设计技巧

采用完整的接地平面

在 PCB 设计中，采用完整的接地平面是降低纹波噪声的重要手段。接地平面能够为信号提供低阻抗的回流路径，减少信号回流过程中的干扰。同时，接地平面还能起到屏蔽作用，减少外界电磁场对电路的影响。在设计多层 PCB 时，可将完整的地线层放在第二层，使其直接位于承载了大电流的顶层的下面。例如，在一些实际应用中，采用完整接地平面设计后，电路的辐射噪声明显降低，纹波噪声也得到了有效抑制。

单点接地与多点接地结合

对于不同类型的电路模块，应根据其特点选择合适的接地方式。对于模拟电路部分，通常采用单点接地方式，以避免地电位差引起的干扰。而对于数字电路部分，由于其工作频率较高，采用多点接地方式可降低接地阻抗，减少高频噪声的影响。在实际设计中，可将模拟地和数字地通过一个低阻抗的磁珠或电感连接在一起，实现单点接地与多点接地的结合。例如，在一个同时包含模拟和数字电路的 BUCK 电源设计中，通过合理运用单点接地与多点接地结合的方式，有效减少了模拟电路和数字电路之间的相互干扰，提升了电源的整体性能。

优化接地连接

接地连接的质量直接影响接地效果。在连接接地引脚时，应尽量缩短连接线路的长度，并且确保连接牢固可靠。同时，可通过增加接地过孔的数量和尺寸，提高接地连接的可靠性。例如，在一些对接地要求较高的电路中，采用大面积的接地焊盘，并在焊盘上增加多个过孔与接地平面相连，有效降低了接地电阻，提高了接地的有效性。

案例分析

为了更直观地展示通过 PCB 设计减少纹波噪声的效果，我们来看一个实际案例。在某电子产品的电源设计中，采用了常规 BUCK 电路。初始设计时，未对 PCB 布局和布线进行优化，输出电压纹波较大，无法满足产品对电源质量的要求。经过对电路的分析，发现输入电容距离开关管较远，输入环路面积较大，同时输出电容布局不合理，多个电容之间的寄生电感和电阻较大。针对这些问题，对 PCB 进行了重新设计，将输入电容靠近开关管，减小输入环路面积，优化输出电容的布局和排列方式，并对布线进行了优化，减少了布线交叉和锐角。经过重新设计后，通过实际测试，输出电压纹波明显降低，从原来的几十毫伏降低到了几毫伏，满足了产品的使用要求，产品的性能和稳定性得到了显著提升。

总结

通过合理的 PCB 布局、布线和接地设计，可以有效地减少常规 BUCK 电路中的纹波噪声，提高电源的质量和稳定性。在实际设计过程中，需要充分考虑电路的工作原理和特点，结合各种设计技巧和方法，针对纹波噪声的来源进行有针对性的优化。同时，还需要通过实际测试和验证，不断调整和完善设计，以满足不同应用场景对电源性能的严格要求。随着电子技术的不断发展，对电源质量的要求也越来越高，通过 PCB 设计减少纹波噪声的方法将在未来的电源设计中发挥更加重要的作用。