G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項

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<div class=WordSection1> <h1>G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 </h1> <h2 id="__Bookmark__0">摘要</h2> 在設計程序中，元件值的設計和 PCB 佈局對電源的性能有很大的影響。若能注意 PCB 佈局上的細節，對於能有低開關損耗、乾淨無雜訊及穩定的操作是非常重要的。適當的選擇元件可以使所設計的電源較容易通過英特爾 (Intel) 及 AMD 的規格。此應用須知將介紹 G-NAVPTM 控制架構電路的設計方法，包括：導通時間設定、開關頻率設定、負載線設定和 DCR 電流檢測網路設定。最後，將對 PCB 的佈局規則提出建議，以期降低雜訊干擾，使控制器更為可靠。 <h2 id="__Bookmark__1">1. 設計方法與元件選擇</h2> 以下的設計方法是以 RT8884B 為例子，並滿足英特爾的 VR12.5 規格。在應用 RT8884B 時，有三個主要的設計步驟：第一步是導通時間和開關頻率的初始設定，第二步是 DCR 電流檢測網路的設計，而最後一步則是完成負載線的設計。 <div> <table class=MsoTableGrid border=1 cellspacing=0 cellpadding=0 style='border-collapse:collapse;border:none'> <tr> <td width=423 colspan=2 valign=top style='width:317.25pt;border:solid #009EB8 1.0pt; background:#009EB8;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> CPU操作條件 </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 輸入電壓 </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 12V </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 相位數 </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 3 </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> VBOOT </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 1.7V </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> VDAC(MAX) </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 1.85V </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ICCMAX </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 106A </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ICC-DY </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 60A </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> ICC-TDC </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 55A </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 負載線 </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 1.5mΩ </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 快速電壓迴轉率 </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 12.5mΩ/µs </td> </tr> <tr> <td width=211 valign=top style='width:158.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-top:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 最大開關頻率 </td> <td width=212 valign=top style='width:158.65pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 300kHz </td> </tr> </table> </div> 請參閱 Shark Bay VRTB 電力輸送指南，其中所建議的輸出濾波器如下所示： 輸出電感：360nH / 0.72mΩ 輸出大型電容：560µF / 2.5V / 5mΩ (max)，4 至 5 個 輸出陶瓷電容：22µF / 0805 (在上層最多可放 18 個) <h2 id="__Bookmark__2">1.1. 導通時間與開關頻率的初始設定</h2> 一般說來，較高的開關頻率可產生較快的瞬態響應和較小的穩態輸出漣波，並且可使用較小尺寸的功率元件和印刷電路板的空間。然而，較高的開關頻率通常導致較低的轉換效率，較差的抗雜訊能力及有過熱的問題；因此，最大開關頻率的合理範圍是受到以上綜合因素的限制。最大開關頻率一旦決定了之後，用開關頻率和責任週期之間的關係即可算出最大導通時間。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image001_zh-tw.png" ><img width=197 height=39 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image001_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> (1) 其中，VDAC(MAX) 是參考電壓，fSW(MAX) 是最大開關頻率，而 VIN(MAX) 是最大輸入電壓。下面所顯示是以設計 RT8884B 為例。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image002_zh-tw.png" ><img width=194 height=32 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image002_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> 因為 RT8884B 採用固定導通時間控制， CCRCOT（固定電流漣波之 COT）此項專利技術是利用輸入電壓和 VID 碼來產生適應性的導通時間，及固定的電流漣波；如此可在不同的輸入和輸出電壓範圍內，將輸出電壓漣波控制到幾乎是固定的。在輸入電壓端子和 TONSET 接腳之間接上的電阻 RTON ，可用來設定導通時間。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image003_zh-tw.png" ><img width=211 height=67 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image003_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> (2) 其中 C = 18.2pF，VIN 是最大輸入電壓，VDAC 是參考電壓，而 TON 是方程式 (1) 所決定的導通時間。下面所計算的也是以 RT8884B 為例。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image004_zh-tw.png" ><img width=237 height=32 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image004_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> <h2 id="__Bookmark__3">1.2. DCR 電流檢測網路之設計</h2> <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image005_zh-tw.jpg" ><img width=379 height=441 id="圖片 7" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image005_zh-tw.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖一、RT8884B 完整電流迴路示意圖。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image006_zh-tw.jpg" ><img width=292 height=491 id="圖片 20" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image006_zh-tw.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖二、對應不同 τCx 和 τLx 時間常數關係的輸出波形。 圖一顯示應用 RT8884B 時，完整的電流迴路圖。在ACLL性能和DCLL精確度上，DCR電流檢測的電路設計扮演非常重要的角色。對於不同 RC 時間常數的設計，ACLL 輸出電壓的瞬態變化可分成以下三種情況。圖二即顯示了對應三種不同 τCx 和 τLx 時間常數關係的輸出波形。 • 若 τCx 等於 τLx，預期的負載瞬態波形是可設計的。 • 若 τCx 小於 τLx，輸出電壓會突然下降，下衝規格的裕量會減少。 • 若 τCx 大於 τLx，在負載增加時，輸出電壓會緩慢地下降。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image007_zh-tw.png" ><img width=84 height=55 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image007_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> (3) 其中，DCRx 是電感的等效電阻、Lx 是電感值，而 Rx 和 Cx 是 DCR 電流檢測網路中的元件值。 通常會將時間常數 τCx 設計為等於或稍大於時間常數 τLx，以防止過衝和下衝，如此電路便有較多的裕量可通過設計的規格。特別要注意的是，Cx值可能會因為偏壓，溫度或頻率...等因素變小，所以在設計 DCR 電流檢測網路時，需要將Cx 值變小的效應考慮進來。 由於電感器的銅線具有正溫度係數，DCR 值會隨負載電流的增加而線性增加。因此，為了達到更好的 DCLL 性能，必須使用由 NTC 熱敏電阻（REQ）構成的熱補償電路，以補償電感 DCR的正溫度係數。詳細的熱補償電路設計，可以參考特定產品的設計工具。 <h2 id="__Bookmark__4">1.3. 負載線設計</h2> 在 G-NAVPTM 架構中，負載線的設計和電流迴路增益與電壓迴路增益之比有關。詳細的負載線方程式均可在對應的 IC 規格書中找到。以下以 RT8884B 為例。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image008_zh-tw.png" ><img width=194 height=65 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image008_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> (4) 其中，DCR（25℃）= 0.72mΩ，RCS = 680Ω 是電流檢測電阻，REQ（25℃）是用於熱補償設計的電阻值，而 R2 / R1是補償器的AV 增益。藉由此方程式，可以透過調整補償器的 AV 增益而很容易地改變負載線。按照英特爾的VR12.5 的要求，負載線須是1.5（mΩ），所以就可以算出了 AV 增益 R2 / R1。以下以 RT8884B 作為範例，並且選 R1=10KΩ。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image009_zh-tw.png" ><img width=325 height=49 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image009_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> <h2 id="__Bookmark__5">2. 佈局注意事項</h2> 若能注意印刷電路板上佈局的細節，對於能有低開關損耗、乾淨無雜訊及穩定的操作是非常重要的。開關功率級則特別需要留意。如果可能的話，應將所有功率元件放在電路板的上方，並且使接地端子相互靠近。參考以下佈局原則，有助於能有最佳性能的 PCB 佈局： <h2 id="__Bookmark__6">2.1. 功率級佈局原則</h2> • 盡量保持大電流的路徑短愈短愈好，特別是接地端子的。 • 盡可能保持電源走線和負載之間的連線都很短；這對達到高效率是非常重要的。 • 若必須在電感的充電路徑和放電路徑之間作取捨，較好的選擇是讓電感的充電路徑比放電路徑長。 <h2 id="__Bookmark__7">2.2. IC檢測墊和RGND佈局原則</h2> • 盡量將電流檢測元件（CX, RCSX, RX）放置靠近控制器的位置，以避免電流檢測信號被雜訊干擾。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image010_zh-tw.png" ><img width=307 height=156 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image010_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖三、電流檢測元件的放置。 • 作為電流限制和電壓定位的 ISENxP 和 ISENxN，其連線方式必須採用凱文 (Kelvin) 檢測連接法，以確保電流檢測的精確度。電感的走線是直接從電感的接觸墊開始，而不是從電感的連接平面。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image011_zh-tw.png" ><img width=153 height=117 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image011_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖四、電流檢測走線中的電感接觸墊。 • 從電感檢測節點出來的 PCB 走線都應平行地回控制器。通常，這些走線都走電感下方的 PCB 底層。如果這些走線是走在內層，則必須在電流檢測走線之上有一個接地平面，以作為和上層之間的屏蔽。 • 盡量將高速開關節點（PWM，UG，LG，相位，等...）遠離較敏感的類比區域（COMP，FB，ISENxP，ISENxN，等...）。 • 使用者需要透過低阻抗路徑將散熱焊盤連接到接地平面。建議至少使用5個通孔 (via) 連接到 PCB 內層的接地平面。 <h2 id="__Bookmark__8">3. 實驗結果與結論</h2> <h2 id="__Bookmark__9">3.1. 實驗結果</h2> 圖五顯示了RT8884B EVB樣品，這是用在 VR12.5 之應用中，並支援 4/3/2/1相。量測的負載線曲線和效率均顯示在圖六。從所測量的結果可知，G-NAVPTM 架構可提供準確的負載線，並仍然維持較高的效率。圖七顯示瞬態的大抽載變化和小抽載變化之波形，由圖可看出快速和穩定的瞬態性能並良好的 AVP 控制。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image012_zh-tw.jpg" ><img width=256 height=266 id="圖片 10" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image012_zh-tw.jpg" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖五、RT8884B的 EVB 樣本。 表一、EVB測試條件 <div> <table class=MsoTableGrid border=1 cellspacing=0 cellpadding=0 style='border-collapse:collapse;border:none'> <tr> <td width=174 style='width:130.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> VIN </td> <td width=194 valign=top style='width:145.8pt;border:solid #009EB8 1.0pt; border-left:none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 12V </td> </tr> <tr> <td width=174 style='width:130.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> VOUT </td> <td width=194 valign=top style='width:145.8pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 1.8V @PS0 </td> </tr> <tr> <td width=174 style='width:130.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> Phase Number </td> <td width=194 valign=top style='width:145.8pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 4 </td> </tr> <tr> <td width=174 style='width:130.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> Ls </td> <td width=194 valign=top style='width:145.8pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> 360nH / 0.72mΩ </td> </tr> <tr> <td width=174 style='width:130.6pt;border:solid #009EB8 1.0pt;border-top: none;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> Co </td> <td width=194 valign=top style='width:145.8pt;border-top:none;border-left: none;border-bottom:solid #009EB8 1.0pt;border-right:solid #009EB8 1.0pt; padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt'> OSCON : 470µF / 4.5mΩ*4 MLCC : 22µF*19 </td> </tr> </table> </div> <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image013_zh-tw.png" ><img width=521 height=331 id="圖片 9" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image013_zh-tw.png" alt="Technical Document Image Preview"></a> 圖六、量測 RT8884B 的負載線和效率。 <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image014_zh-tw.jpg" ><img width=256 height=192 id="圖片 1" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image014_zh-tw.jpg" alt=300Hz.jpg></a> <a class="fancybox" href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image015_zh-tw.jpg" ><img width=256 height=192 src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an013/html-images-zh-tw/image015_zh-tw.jpg" alt=300Hz.jpg></a> (CH3: 抽載電流 (900mV/Div) ; CH4: 輸出電壓 (30mV/Div)) (a) 大抽載變化(1A-61A) ACLL @300Hz   (b) 小負載變化(50A-60A) ACLL @300Hz 圖七、RT8884B ACLL 之測量結果。 <h2 id="__Bookmark__10">3.2. 結論</h2> 系統的元件設計通常需要在許多的限制之間作出取捨，以獲得在效率和性能中最大的效益。此外，有一些特殊的佈局技巧可減少寄生元件的影響，以避免高速開關雜訊耦合的效應。本應用須知介紹了 G-NAVPTM 控制架構一般的設計方法和 PCB 佈局的規則。按照以上所介紹的方式，使用者即可很容易地使用立錡的控制IC。 <h2 id="__Bookmark__11">4. 參考資料</h2> [1] 立錡科技, RT8884B 規格書. [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"> 相關資源 </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;"> 立錡科技電子報 </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">訂閱立錡科技電子報</a> </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <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;"> 檔案下載 </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_TW.ashx">PDF 下載</a> </td> </tr> </tbody> </table> </div> </div>

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