G-NAVPTM 架构电路的设计方法与布局注意事项

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<div class="WordSection1"> <h1>G-NAVPTM 架构电路的设计方法与布局注意事项 </h1> <h2 id="__Bookmark__0">摘要</h2> 在设计程序中，元件值的设计和 PCB 布局对电源的性能有很大的影响。若能注意 PCB 布局上的细节，对于实现低开关损耗、干净无噪声及稳定的操作是非常有利的。适当的选择元件可以使所设计的电源较容易通过英特尔 (Intel) 及 AMD 的规格。此应用须知将介绍 G-NAVPTM 控制架构电路的设计方法，包括：导通时间设定、开关频率设定、负载线设定和 DCR 电流检测网络设定。最后，将对 PCB 的布局规则提出建议，以期降低噪声干扰，使控制器更为可靠。 <h2 id="__Bookmark__1">1. 设计方法与元件选择</h2> 以下的设计方法是以 RT8884B 为例子，并满足英特尔的 VR12.5 规格。在应用 RT8884B 时，有三个主要的设计程序：第一步是导通时间和开关频率的初始设定，第二步是 DCR 电流检测网络的设计，而最后一步则是完成负载线的设计。 <div> <table class="MsoTableGrid" style="border: currentColor; border-collapse: collapse;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"> <tbody> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; background-color: #4bacc6;" colspan="2"> CPU操作条件 </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 输入电压 </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 12V </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 相位数 </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 3 </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> VBOOT </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 1.7V </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> VDAC(MAX) </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 1.85V </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> ICCMAX </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 106A </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> ICC-DY </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 60A </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> ICC-TDC </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 55A </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 负载线 </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 1.5mΩ </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 快速电压回转率 </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 12.5mΩ / µs </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 最大开关频率 </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 159pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 300kHz </td> </tr> </tbody> </table> </div> 请参阅 Shark Bay VRTB 电力输送指南，其中所建议的输出滤波器如下所示： 输出电感：360nH / 0.72mΩ 输出大型电容：560µF / 2.5V / 5mΩ (max)，4 至 5 个 输出陶瓷电容：22µF / 0805 (在上层最多可放 18 个) <h2 id="__Bookmark__2">1.1. 导通时间与开关频率的初始设定</h2> 一般说来，较高的开关频率可产生较快的瞬态响应和较小的稳态输出纹波，并且可使用较小尺寸的功率元件和印刷电路板的空间。然而，较高的开关频率通常导致较低的转换效率，较差的噪声抑制能力及有过热的问题；因此，最大开关频率的合理范围是受到以上综合因素的限制。最大开关频率一旦决定了之后，用开关频率和占空比之间的关系即可算出最大导通时间。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image001_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="197" height="39" width="197" height="39" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image001_zh-cn.png" /></a> (1) 其中，VDAC(MAX) 是参考电压，fSW(MAX) 是最大开关频率，而 VIN(MAX) 是最大输入电压。下面所显示是以设计 RT8884B 为例。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image002_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="200" height="32" width="200" height="32" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image002_zh-cn.png" /></a> 因为 RT8884B 采用恒定导通时间控制， CCRCOT（固恒流纹波之 COT）此项专利技术是利用输入电压和 VID 码来产生适应性的导通时间，及恒定的电流纹波；如此可在不同的输入和输出电压范围内，将输出电压纹波控制到几乎是恒定的。在输入电压端子和 TONSET 接脚之间接上的电阻 RTON ，可用来设定导通时间。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image003_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="225" height="67" width="225" height="67" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image003_zh-cn.png" /></a> (2) 其中 C = 18.2pF，VIN 是最大输入电压，VDAC 是参考电压，而 TON 是方程式 (1) 所决定的导通时间。下面所计算的也是以 RT8884B 为例。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image004_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="252" height="32" width="252" height="32" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image004_zh-cn.png" /></a> <h2 id="__Bookmark__3">1.2. DCR 电流检测网络之设计</h2> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image005_zh-cn.jpg" class="fancybox"><img width="379" height="441" width="379" height="441" id="圖片 7" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image005_zh-cn.jpg" /></a> 图一、RT8884B 完整电流回路示意图。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image006_zh-cn.jpg" class="fancybox"><img width="292" height="491" width="292" height="491" id="圖片 20" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image006_zh-cn.jpg" /></a> 图二、对应不同 τCx 和 τLx 时间常数关系的输出波形。 图一显示应用 RT8884B 时，完整的电流回路图。在ACLL性能和DCLL精确度上，DCR电流检测的电路设计扮演非常重要的角色。对于不同 RC 时间常数的设计，ACLL 输出电压的瞬态变化可分成以下三种情况。图二即显示了对应三种不同 τCx 和 τLx 时间常数关系的输出波形。 • 若 τCx 等于 τLx，预期的负载瞬态波形是可设计的。 • 若 τCx 小于 τLx，输出电压会突然下降，下冲规格的裕量会减少。 • 若 τCx 大于 τLx，在负载增加时，输出电压会缓慢地下降。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image007_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="84" height="55" width="84" height="55" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image007_zh-cn.png" /></a> (3) 其中，DCRx 是电感的等效电阻、Lx 是电感值，而 Rx 和 Cx 是 DCR 电流检测网络中的元件值。 通常会将时间常数 τCx 设计为等于或稍大于时间常数 τLx，以防止过冲和下冲，如此电路便有较多的裕量可通过设计的规格。特别要注意的是，Cx值可能会因为偏压，温度或频率...等因素变小，所以在设计 DCR 电流检测网络时，需要将Cx 值变小的效应考虑进来。 由于电感器的铜线具有正温度系数，DCR 值会随负载电流的增加而线性增加。因此，为了达到更好的 DCLL 性能，必须使用由 NTC 热敏电阻（REQ）构成的热补偿电路，以补偿电感 DCR的正温度系数。详细的热补偿电路设计，可以参考特定产品的设计工具。 <h2 id="__Bookmark__4">1.3. 负载线设计</h2> 在 G-NAVPTM 架构中，负载线的设计和电流回路增益与电压回路增益之比有关。详细的负载线方程式均可在对应的 IC 规格书中找到。以下以 RT8884B 为例。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image008_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="194" height="65" width="194" height="65" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image008_zh-cn.png" /></a> (4) 其中，DCR（25℃）= 0.72mΩ，RCS = 680Ω 是电流检测电阻，REQ（25℃）是用于热补偿设计的电阻值，而 R2 / R1是补偿器的AV 增益。藉由此方程式，可以透过调整补偿器的 AV 增益而很容易地改变负载线。按照英特尔的VR12.5 的要求，负载线须是1.5（mΩ），所以就可以算出了 AV 增益 R2 / R1。以下以 RT8884B 作为范例，并且选 R1 = 10kΩ。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image009_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="325" height="49" width="325" height="49" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image009_zh-cn.png" /></a> <h2 id="__Bookmark__5">2. 布局注意事项</h2> 若能注意印刷电路板上布局的细节，对于能有低开关损耗、干净无噪声及稳定的操作是非常重要的。开关功率级则特别需要留意。如果可能的话，应将所有功率元件放在电路板的上方，并且使接地端子相互靠近。参考以下布局原则，有助于能有最佳性能的 PCB 布局： <h2 id="__Bookmark__6">2.1. 功率级布局原则</h2> • 尽量保持大电流的路径短愈短愈好，特别是接地端子的。 • 尽可能保持电源走线和负载之间的联机都很短；这对达到高效率是非常重要的。 • 若必须在电感的充电路径和放电路径之间作取舍，较好的选择是让电感的充电路径比放电路径长。 <h2 id="__Bookmark__7">2.2.IC检测垫和RGND布局原则</h2> • 尽量将电流检测元件（CX, RCSX, RX）放置靠近控制器的位置，以避免电流检测信号被噪声干扰。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image010_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="307" height="156" width="307" height="156" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image010_zh-cn.png" /></a> 图三、电流检测元件的放置。 • 作为电流限制和电压定位的 ISENxP 和 ISENxN，其联机方式必须采用凯文 (Kelvin) 检测连接法，以确保电流检测的精确度。电感的走线是直接从电感的接触垫开始，而不是从电感的连接平面。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image011_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="153" height="117" width="153" height="117" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image011_zh-cn.png" /></a> 图四、电流检测走线中的电感接触垫。 • 从电感检测节点出来的 PCB 走线都应平行地回控制器。通常，这些走线都走电感下方的 PCB 底层。如果这些走线是走在内层，则必须在电流检测走线之上有一个接地平面，以作为和上层之间的屏蔽。 • 尽量将高速开关节点（PWM，UG，LG，相位，等...）远离较敏感的模拟区域（COMP，FB，ISENxP，ISENxN，等...）。 • 用户需要透过低阻抗路径将散热焊盘连接到接地平面。建议至少使用5个通孔 (via) 连接到 PCB 内层的接地平面。 <h2 id="__Bookmark__8">3. 实验结果与结论</h2> <h2 id="__Bookmark__9">3.1 实验结果</h2> 图五显示了RT8884B EVB样品，这是用在 VR12.5 之应用中，并支援 4/3/2/1相。量测的负载线曲线和效率均显示在图六。从所测量的结果可知，G-NAVPTM 架构可提供准确的负载线，并仍然维持较高的效率。图七显示瞬态的大抽载变化和小抽载变化之波形，由图可看出快速和稳定的瞬态性能并良好的 AVP 控制。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image012_zh-cn.jpg" class="fancybox"><img width="256" height="266" width="256" height="266" id="圖片 10" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image012_zh-cn.jpg" /></a> 图五、RT8884B的 EVB 样本。 表一、EVB测试条件 <div> <table class="MsoTableGrid" style="border: currentColor; border-collapse: collapse;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"> <tbody> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> VIN </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 12V </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> VOUT </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 1.8V @PS0 </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> Phase Number </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 4 </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> Ls </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> 360nH / 0.72mΩ </td> </tr> <tr> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> Co </td> <td style="border: 1px solid #4bacc6; width: 146pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt;"> OSCON : 470µF / 4.5mΩ*4 MLCC : 22µF*19 </td> </tr> </tbody> </table> </div> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image013_zh-cn.png" class="fancybox"><img width="521" height="331" width="521" height="331" id="圖片 9" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image013_zh-cn.png" /></a> 图六、量测 RT8884B 的负载线和效率。 <div class="tb-system"> <table class="MsoTableGrid" style="border: currentColor; border-collapse: collapse;" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"> <tbody> <tr> <td align="center" valign="top" style="padding: 0cm 5.4pt; width: 267.05pt;"> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image014_zh-cn.jpg" class="fancybox"><img width="256" height="192" width="256" height="192" id="圖片 1" alt="描述: 300Hz.jpg" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image014_zh-cn.jpg" /></a> </td> <td align="center" valign="top" style="padding: 0cm 5.4pt; width: 267.1pt;"> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image015_zh-cn.jpg" class="fancybox"><img width="256" height="192" width="256" height="192" alt="描述: 300Hz.jpg" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-cn/image015_zh-cn.jpg" /></a> </td> </tr> <tr align="center" style="height: 17pt;"> <td style="padding: 0cm 5.4pt; width: 534.15pt; height: 17pt;" colspan="2"> (CH3: 抽载电流 (900mV/Div) ; CH4: 输出电压 (30mV/Div)) </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td align="center" style="padding: 0cm 5.4pt; width: 267.05pt; height: 17pt;"> (a) 大抽载变化(1A-61A) ACLL @300Hz </td> <td align="center" style="padding: 0cm 5.4pt; width: 267.1pt; height: 17pt;"> (b) 小负载变化(50A-60A) ACLL @300Hz </td> </tr> </tbody> </table> </div> 图七、RT8884B ACLL 之测量结果。 <h2 id="__Bookmark__10">3.2 结论</h2> 系统的元件设计通常需要在许多的限制之间作出取舍，以获得在效率和性能中最大的效益。此外，有一些特殊的布局技巧可减少寄生元件的影响，以避免高速开关噪声耦合的效应。本应用须知介绍了 G-NAVPTM 控制架构一般的设计方法和 PCB 布局的规则。按照以上所介绍的方式，使用者即可很容易地使用立锜的控制IC。 <h2 id="__Bookmark__11">4. 参考数据</h2> [1] 立锜科技, RT8884B 规格书. [2] Intel 文件, “Shark Bay Ultrabook™ Platform Power Delivery” [3] Intel 文件, “Shark Bay Mobile Platform Power Delivery” [4] Intel 文件, “Shark Bay Desktop and Denlow-WS Platform” <div> <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" style="width: 637.5pt; border-collapse: collapse; border: medium none;" class="3-51"> <tbody> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #009eb8; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;" colspan="2"> 相关资源 </td> </tr> <tr> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> 立锜科技电子报 </td> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> <a class="link" href="http://www.richtek.com/My%20Richtek/Newsletters" target="_blank">订阅立锜科技电子报</a> </td> </tr> <tr> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> 档案下载 </td> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; background-color: #ffffff; background-image: url(e); background-repeat: repeat; background-attachment: scroll; background-clip: border-box; background-origin: padding-box; background-size: auto auto; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; height: 17pt;"> <a class="link" href="http://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/~/media/AN%20PDF/AN013_CN.ashx">PDF 下载</a> </td> </tr> </tbody> </table> </div> </div>

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