韩非者,韩之诸公子也。喜刑名法术之学,而其归本於黄老。非为人口吃,不能道说,而善著书。与李斯俱事荀卿,斯自以为不如非......人或传其书至秦。秦王见孤愤、五蠹之书,曰:“嗟乎,寡人得见此人与之游,死不恨矣!” - 《史记·老子韩非列传》
韩非子主张中央集权和严格法治,以消除贵族割据、民变,确保政令畅通,为军事扩张提供必要环境。虽然受李斯陷害而身死秦狱,但他却是嬴政精神上的导师,尔后秦王用其思想富国强兵、吞灭六国、席卷天下、定于一统。
而在Buck电路的设计中,输入电容Cin就像韩非子,为秦王统一六国提供方法论;而Buck芯片就像嬴政,雄心勃勃,彻底贯彻执行了韩非子的思想。两者在灵魂上相契,互相成就彼此。
Cin布局的底层逻辑
我们都知道,Cin要靠近芯片放置,但为什么要靠近芯片放置?如果我像驴一样倔强,拒不执行,又会怎么样?
如下图,Buck拓扑中有个红色阴影区域,在主开关管导通/关断的瞬间,会有瞬态的电流变化,di/dt超大的。

Cin靠近芯片放置,最根本的目的是为了减小高频开关电流的环路面积和路径寄生电感,从而抑制振铃(ring)幅度和EMI噪声,优化电源稳定性、EMI性能和可靠性等。
显而易见地,如果Cin极度靠近芯片,那么这个高频瞬态电流的红色环路就会变小,那么寄生电感就会降低。
否则根据基本公式V = L * (di/dt) ,即使很小的寄生电感L,乘以大的di/dt,也会产生可观的电压。
下面将以几个实验的形式展现Cin在不同位置时,Buck的振铃表现,图片素材来自richtek官网。
实验1 - Cin远离芯片
如下图,弄了一种最差的Cin放置方法,Cin远离芯片放置,而且挖空一部分铜皮,故意把环路增大,引入较大的寄生电感。

这时我们可以看到开关切换波形(SW)上出现很高的过冲和振铃信号,过冲导致的高压已经超过了IC的耐压规格,其次,你如果展开振铃波形的话,能看到高频振荡信号, 而这会导致很高的EMI辐射。

实验2 - Cin靠近芯片
如下图,将Cin放置在靠近IC的地方,形成较小的环路,可见开关切换过程中的过冲的幅度显著降低,减小了大约50%。
这便印证了最重要的结论:更靠近芯片放置Cin,可以改善开关切换波形上振铃信号的幅度。


实验3 - 额外增加10nF小电容
10nF电容体积更小,更容易钻进狭窄的空间,如下图,更为靠近芯片Vin端,额外增加了一颗10nF电容(Cin小电容),原先的Cin大电容位置不变,从实验结果来看,开关切换波形上的过冲实际上已经消失了。


总结
综上,将Cin紧挨着芯片的Vin和GND引脚放置,可以最小化高频电流环路面积、最小化路径寄生电感。便能大幅度降低振铃尖峰;此外,高频噪声环路被约束在小的范围内,向外辐射的干扰噪声亦大大减少。
如果布局有限制,万不得已的情况下,对于大容量电容可以稍远放置,但可以增加一颗小电容就近放置。
秦始皇是中国历史绕不开的一个人物,他当得起“千古一帝”,不过其内心冰冷和充满猜忌。或许他这一生经历了各式各样的背叛,最终磨灭了爱与被爱的能力,成为真正意义上的孤家寡人。
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