使用立錡的RT8749A系列最佳化你的風扇

1rem

rt-dark-800

headline-3

false

Application Note Name

false

basicInfoTitle

rt-dark-300

applicationNoteInfo

left

buttonDownload

text-with-icon

secondary

i18n(button-item.download.button-label)

i18n(button-item.download.button-link)

_self

false

btnAllApplicationNote

text-with-icon

secondary

i18n(button-item.all-application-note.button-label)

i18n(button-item.all-application-note.button-link)

_self

false

width

fixed-width

basicInfoSection

withLine

2rem

width

full-width

<h1>使用立錡的RT8749A系列最佳化你的風扇</h1> </h2> <h2 id="__Bookmark__2">摘要</h2> 立錡的RT8749A系列是採用數位設計關鍵參數的直流無刷風扇驅動IC。 有許多設定參數會彼此影響。因此，若只考慮單一參數以調整風扇系統，可能會導致風扇系統的不穩定與錯誤的表現。 立錡建議在最佳化你的風扇系統時，使用全盤考慮的方式，而不是用單一參數逐一決定的方式。本應用須知內容包括了，數位直流無刷風扇驅動IC的理論基礎、微調方法和設計準則。 <h2 id="__Bookmark__3">1. 直流無刷風扇系統介紹</h2> 直流無刷風扇（Brushless DC Motor）是指沒有電刷的直流風扇。其結構為永久磁鐵及線圈，永久磁鐵是轉子，線圈是定子。 透過線圈輸入不同方向的電流，輪流開關。當磁鐵與線圈形成的推力減弱時，改變電流方向來保持推力。 與傳統有刷式直流電動機相比，無刷式較為安全和可靠。有刷風扇通連續工作壽命在幾百到一千多個小時，到達使用極限就需要更換碳刷，不然很容易造成軸承的磨損，因此其保養成本較高。 直流無刷風扇系統藉由霍爾開關來偵測換相點，其簡易基礎電路如下 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image001_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="595" height="272" width="595" height="272" id="圖片 21" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image001_zh-tw.png" /></a> 圖1. RT8749A應用電路圖 VIN為輸入電壓，VM為風扇電壓。因VM會受到風扇感應電動勢影響使其會大於VIN，為了避免傷害IC，使用二極體來區隔電壓。 圖1右側虛線方框為風扇的等效電路，電感代表風扇線圈的電感，霍爾開關提供RT8731驅動IC換相訊號。 RRNF電阻提供限流功能，以免在風扇剛啟動時，感應電動勢為0的大電流燒毀MOSFET。 圖1的例子中我們推薦使用下表之參數 : <div> <table width="366" class="MsoTableGrid" style="border: currentColor; width: 274.7pt; border-collapse: collapse;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"> <tbody> <tr style="height: 17pt; page-break-inside: avoid;"> <td style="background: #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; border: 1pt solid #009eb8; width: 159.3pt; height: 17pt;"> 參數 </td> <td style="background: #009eb8; border-width: 1pt 1pt 1pt medium; border-style: solid solid solid none; border-color: #009eb8 #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 115.4pt; height: 17pt;"> 建議值 </td> </tr> <tr style="height: 17pt; page-break-inside: avoid;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 159.3pt; height: 17pt;"> Supply Voltage, VDD12 </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 115.4pt; height: 17pt;"> 5.8V to 15V </td> </tr> <tr style="height: 17pt; page-break-inside: avoid;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 159.3pt; height: 17pt;"> PWM to GND </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 115.4pt; height: 17pt;"> AMR 20V </td> </tr> <tr style="height: 17pt; page-break-inside: avoid;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 159.3pt; height: 17pt;"> FG to GND </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 115.4pt; height: 17pt;"> AMR 20V </td> </tr> <tr style="height: 17pt; page-break-inside: avoid;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 159.3pt; height: 17pt;"> UGBx to GND </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 115.4pt; height: 17pt;"> AMR 20V </td> </tr> <tr style="height: 17pt; page-break-inside: avoid;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 159.3pt; height: 17pt;"> Other Pins </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 115.4pt; height: 17pt;"> AMR 6V </td> </tr> </tbody> </table> </div> 表1. RT8749A建議操作電壓 <h2 id="__Bookmark__4">2. 直流無刷風扇系統之評價方法</h2> 一個好的風扇系統，其定義應該為 : 擁有好的散熱能力，以及低的噪音。 好的散熱能力，撇開風扇設計等因素，對風扇驅動IC而言，散熱能力最直觀即是最高轉速的高低。 低的噪音，又區分為風扇啟動時之噪音、風扇運轉時之噪音、風扇震動造成機構共振之噪音等，每個主題都可獨立為一門學問來研究。 本分技術文件將分享如何設計電路與參數，來提高最高轉速，降低啟動噪音之方法。 <h2 id="__Bookmark__5">3. 直流無刷風扇系統調整設計工具</h2> 立錡的RT8749A提供客戶一套設計工具，透過該工具使用者將可以調整關鍵參數，其介面如下 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image002_zh-tw.jpg" class="fancybox"><img width="408" height="295" width="408" height="295" id="Picture 5" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image002_zh-tw.jpg" /></a> 圖2. RT8749A 可調參數設定畫面 透過此工具軟體，使用者可以將風扇系統之關鍵參數燒錄至RT8749A IC 中。在後續的設計風扇實務中，我們需要進行的動作，包括調整Dead Time、Lock Release Time、Open Loop / Close Loop Ramp Up Speed等關鍵參數，皆須透過此工具軟體進行燒錄。此工具詳細操作方法請向立錡的FAE工程師索取相關說明文件。 <h2 id="__Bookmark__6">4. 直流無刷風扇系統之設計實例</h2> 在此段落我們將開始設計一個風扇，立錡推薦使用以下步驟進行設計 : 1. 風扇dead time設計。 2. 決定輸入電容。 3. 風扇轉速設計。 4. 風扇起轉速度設計。 5. 風扇Lock機制設計。 6. 風扇TVS保護挑選。 其設計流程圖如下 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image003_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="476" height="662" width="476" height="662" id="圖片 7" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image003_zh-tw.png" /></a> 圖3. RT8749A設計流程圖 由風扇dead time開始設計，決定dead time後進行系統的驗證。若無問題則可進行輸入電容值與起轉速度的設計。當這兩個設計完成，需檢查起轉電流是否符合客戶的規格，調校兩者直到符合規格後，方可進行Lock Detection Time & Lock Release Time 的設計。 透過調整Lock Detection Time時間，確保風扇可在所有電壓範圍內皆可成功起轉，並搭配Lock Detection Time時間來設計Lock Release Time。最後，若是一迴風系統風扇，我們還需要進行迴風狀態下，風扇轉動中啟動的TVS保護設計。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image004_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="650" height="307" width="650" height="307" id="圖片 23" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image004_zh-tw.png" /></a> 圖4. RT8749A系統異常與設計相關圖 上圖列出了系統異常狀態之關係圖。若使用者發現風扇系統異常，可透過上表來回溯是哪個設計環節出現了問題。 <h3>4-1. 風扇dead time設計</h3> 當使用RT8749A時，由於挑選的外部MOSFET其導通時間、電容充電時間不盡相同，因此Dead Time的挑選變成一個很重要的一件事情。 我們以單一上下橋來看，其電路如下圖 : <div class="tb-system"> <table class="MsoTableGrid" style="border: currentColor; border-collapse: collapse;" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"> <tbody> <tr> <td valign="top" style="padding: 0cm 5.4pt; width: 199.15pt;"> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image005_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="202" height="167" width="202" height="167" id="圖片 2" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image005_zh-tw.png" /></a> </td> <td valign="top" style="padding: 0cm 5.4pt; width: 241.5pt;"> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image006_zh-tw.jpg" class="fancybox"><img width="325" height="292" width="325" height="292" id="圖片 18" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image006_zh-tw.jpg" /></a> </td> </tr> </tbody> </table> </div> 圖5. (左) RT8749A MOSFET半橋電路圖 圖6. (右) MOSFET Gate Charge vs. Drain-Source Voltage 由上圖電路，我們可推導出如下兩式 : Tu_gate_dead_time_falling (Min.) : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image007_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="414" height="45" width="414" height="45" id="圖片 22" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image007_zh-tw.png" /></a> Tu_gate_dead_time_falling (Max.) : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image008_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="413" height="43" width="413" height="43" id="圖片 28" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image008_zh-tw.png" /></a> 其中P-Ch Turn On voltage Vgs = X (V)、N-Ch Turn On voltage Vgs = Y (V)。電阻誤差為A (%)，電容誤差為B (%)。詳細推導過程讀者可參閱本文件之附錄。 藉由此算式，我們在此提供一個設計步驟 : 1. 由Datasheet提供的Total Gate Charge vs. Gate-source voltage圖表，可挑選出P-Ch Turn On voltage Vgs = X (V)，N-Ch Turn On voltage Vgs = Y (V)。 2. 使用電阻誤差為A (%)，電容誤差為B (%)。 3. 當UGB1 內部MOSFET打開時，其瞬間電流流入UGB1需 < 50mA (參照RT8749A Datasheet)。可列出 VDD12 (peak) / R2 ≤ 50mA (3) 可算出R2 ≥ VDD12 / 50mA (4) 4. 要使上橋MOSFET打開，則須Vg1-VDD12 ≤ X。可列出<a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image009_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="87" height="37" width="87" height="37" id="圖片 31" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image009_zh-tw.png" /></a> (5) 可算出<a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image010_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="91" height="37" width="91" height="37" id="圖片 17408" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image010_zh-tw.png" /></a> (6) 5. 挑選電容Cg1, Cg2使Tu_gate_dead_time_rising (Min.) 和Tu_gate_dead_time_falling (Min.) 大於-3.75µs。 (RT8749A最大dead time調整範圍。) RT8749A允許客戶透過軟體設置dead time參數，設定範圍為0.25µs~3.75µs。 公式為 : 實際系統dead time = IC dead time + MOSFET設計dead time，故可推得可容許的MOSFET設計dead time最小為-3.75µs。 舉例而言，我們選用TPCP8404這顆P-MOSFET + N-MOSFET晶片進行實際設計。注意，在此過程中輸入電容尚未決定，建議進行Dead time 設計時，可以先使用一較大的合適電容，以免IC運轉時換相電壓過大而燒毀，待下一步驟再來進行仔細計算。以筆者的經驗，12V系統可先採用47µF，24V系統採用100µF。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image011_zh-tw.jpg" class="fancybox"><img width="212" height="183" width="212" height="183" id="圖片 3" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image011_zh-tw.jpg" /></a> 圖7. TPCP8404 1. 其P Channel 的Gate threshold voltage = -5V (故意設定比Datasheet 高以保證Turn On)，N Channel 的Gate threshold voltage = 5V。 2. 使用電阻誤差為5 (%)，電容誤差為20 (%)。 3. 挑選12V，換項時尖峰電壓24V的應用，則R2 ≥ 24 / 0.050 = 480 (7) ，挑選600 (Ω)。 4. <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image012_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="163" height="37" width="163" height="37" id="圖片 17409" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image012_zh-tw.png" /></a> ，挑選600 (Ω)。 5. Cg2使用MOSFET內建電容190pF。 6. 試算可得 : Cg1 = 2nF，R3 = 5kΩ，Tu_gate_dead_time_rising = 470~1000 (ns)，Tu_gate_dead_time_falling = 330~520 (ns)。 接下來藉由將RT8749A的數位dead time由高慢慢降低，檢查輸入電流變化，以最佳化dead time設計。 <h3>4-2. 決定輸入電容</h3> 當風扇換相時，因電感的電流連續性，導致電感電流需要一段時間才會換相。 在電感電流換相前，上橋MOSFET打開，則電流會流到輸入端。 大量電流的流入，將導致輸入電壓提高。 如何挑選一個適當的電容量，使得輸入電壓不會超過RT8749A的耐壓是我們這段落的目的。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image013_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="331" height="178" width="331" height="178" id="圖片 5" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image013_zh-tw.png" /></a> 圖8. 換相電流使輸入電壓升高之電流路徑圖 T = 0時，能量L : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image014_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="41" height="36" width="41" height="36" id="圖片 17410" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image014_zh-tw.png" /></a>，能量C : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image015_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="37" height="39" width="37" height="39" id="圖片 17411" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image015_zh-tw.png" /></a> 因此當L電流為0時，約花費t µs，C能量為 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image016_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="247" height="39" width="247" height="39" id="圖片 17413" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image016_zh-tw.png" /></a> 其中R為藍色電流路徑上的電阻，主要由風扇阻值所貢獻。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image017_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="222" height="94" width="222" height="94" id="圖片 17414" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image017_zh-tw.png" /></a> 舉例而言，Vpeak希望最大20V，操作電壓12V，L = 2mH，R = 10Ω，t約20µs，Ipeak = 1.2A。則C應挑選約10µF。 <h3>4-3. 風扇轉速設計</h3> RT8749A 是一個可以選擇閉迴路或開迴路的馬達驅動晶片 其Output Duty解析度為100% / 128 = 0.78%，呈現線性分佈，如下圖 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image018_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="351" height="265" width="351" height="265" id="圖片 17418" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image018_zh-tw.png" /></a> 圖9. 位址與輸出Duty對照圖 假設風扇轉速對上Output Duty為線性關係，則可舉一例如下表 : <div> <table width="257" class="MsoTableGrid" style="border: currentColor; width: 193pt; border-collapse: collapse;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"> <tbody> <tr style="height: 17pt;"> <td style="background: #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; border: 1pt solid #009eb8; width: 100.85pt; height: 17pt;"> Output Duty(%) </td> <td style="background: #009eb8; border-width: 1pt 1pt 1pt medium; border-style: solid solid solid none; border-color: #009eb8 #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 92.15pt; height: 17pt;"> 轉速(RPM) </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 100.85pt; height: 17pt;"> 100% </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 92.15pt; height: 17pt;"> 10000 </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 100.85pt; height: 17pt;"> 99.22% </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 92.15pt; height: 17pt;"> 9922 </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 100.85pt; height: 17pt;"> 98.44% </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 92.15pt; height: 17pt;"> 9844 </td> </tr> </tbody> </table> </div> 表2 但實際上RT8749A輸出的Duty，並非使用者輸入的PWM Duty。 其原因為: Driver Dead Time。 如下圖，理想輸出Duty因被Dead Time佔掉的關係，其實際輸出Duty會比理論值略小。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image019_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="231" height="154" width="231" height="154" id="圖片 24" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image019_zh-tw.png" /></a> 圖10. 設定之輸出Duty與實際之輸出Duty比較圖 因此實際上表2需表示為下表3 : <div> <table width="449" class="MsoTableGrid" style="border: currentColor; width: 336.6pt; border-collapse: collapse;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"> <tbody> <tr style="height: 17pt;"> <td style="background: #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; border: 1pt solid #009eb8; width: 4cm; height: 17pt;"> User Input Duty(%) </td> <td style="background: #009eb8; border-width: 1pt 1pt 1pt medium; border-style: solid solid solid none; border-color: #009eb8 #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 140pt; height: 17pt;"> Real Output Duty(%) </td> <td style="background: #009eb8; border-width: 1pt 1pt 1pt medium; border-style: solid solid solid none; border-color: #009eb8 #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 83.2pt; height: 17pt;"> 轉速(RPM) </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 4cm; height: 17pt;"> 100% </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 140pt; height: 17pt;"> 100% </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 83.2pt; height: 17pt;"> 10000 </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 4cm; height: 17pt;"> 99.22% </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 140pt; height: 17pt;"> 95.32% (Dead Time佔掉) </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 83.2pt; height: 17pt;"> 9532 </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: medium 1pt 1pt; border-style: none solid solid; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8; padding: 0cm 5.4pt; width: 4cm; height: 17pt;"> 98.44% </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 140pt; height: 17pt;"> 94.54% (Dead Time佔掉) </td> <td style="border-width: medium 1pt 1pt medium; border-style: none solid solid none; border-color: currentColor #009eb8 #009eb8 currentColor; padding: 0cm 5.4pt; width: 83.2pt; height: 17pt;"> 9454 </td> </tr> </tbody> </table> </div> 表3 使用者在設計轉速曲線前，需明白RT8749A其開迴路曲線，99.22%~100%間的轉速落差會比其他Duty還大。 此現象也影響到閉迴路的設計。 讓我們回憶一下RT8749A做為閉迴路的使用狀況: RT8749A分析FG訊號，轉換成轉速資訊，若轉速比目標值低，則會提高Output Duty；若轉速比目標值高，則會降低Output Duty。 以表二作為例子，當使用者鎖定轉速界於9532~10000RPM間時，舉例而言鎖定9700RPM，則風扇的輸出將在95.32%~100%間跳動。 假設此為0.6A電流風扇，使用者將會在輸入端看到24mA的電流跳動。 除此之外，將近500RPM的轉速落差，在應用上也會明顯感受到忽大忽小的風切。 為了避免此現象發生，工程師在挑選風扇時，需依照客戶的規格，來挑選風扇的最高轉速，以避開此應用區段。 我們在此提供一個設計步驟 : 1. 拿到試產的風扇後，使用開迴路記錄99.22%的轉速，其值為X (RPM) 2. 風扇設計公差約10%，可使用的轉速區間為 0 (RPM) 到X * 90% (RPM) 舉例: 客戶需求6000 RPM以下可控，量產公差 10%，99.22%的開迴路轉速為6700RPM，則工程師設計風扇轉速範圍為 0 (RPM) ~ 6030 (RPM)。 風扇挑選後，我們就可依照客戶需求來設計風扇的閉迴路 PWM轉速曲線。 當您在填閉迴路轉速曲線時，有個技巧：填入一個風扇到達不了的轉速，代表RT8749A會一直增加Output Duty試圖追到該轉速，最終使其輸出Output Duty 100%。 雖然最終轉速都是Duty 100%，但填入越大的值，風扇Duty變化越快，因此可利用此技巧微調0% Duty到100% Duty的起轉速度。 下圖為一設計範例 : 客戶需求6000RPM全速，6030RPM以下可控，當輸入Duty > 4%後，則使風扇全轉速運轉。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image020_zh-tw.jpg" class="fancybox"><img width="391" height="293" width="391" height="293" id="圖片 1" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image020_zh-tw.jpg" /></a> 圖11. 實際轉速設計範例圖 <h3>4-4. 風扇起轉速度設計</h3> 工程師在設計風扇時，常遇到的規格就是 : 風扇由0%到達全速100%，花費X秒。 RT8749A提供工程師可微調轉速變化速度。 在閉迴路中，起轉速度受到底下幾個因素影響，依影響程度由大到小排列 : 1. 最終轉速，即100%時”欲鎖定”的轉速。 2. 離目標轉速尚遠時使用的Gain (Close loop far ramp speed)。 3. 閉迴路轉速差距尚遠到接近之判斷門檻 (Close loop far to near threshold)。 4. 接近目標轉速時使用的Gain (Close loop near ramp speed)。 5. 起轉時使用的Gain (Close loop start-up ramp speed)。 6. 脫離Soft Start之轉速判斷門檻 (RPM threshold to leave Soft Start period)。 RT8749A的轉速變化公式為 : Duty變化量 = Gain * (目標轉速 – 目前轉速) 在起轉時，目標全轉速為6000RPM的風扇，和目標全轉速為12000RPM的風扇，可預期前者每次Duty變化的量為後者的一半，則其到達100%的時間前者為後者的兩倍。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image021_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="571" height="247" width="571" height="247" id="圖片 25" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image021_zh-tw.png" /></a> 圖12. 起轉時不同加速度曲線與參數相關示意圖 前述公式中提到的Gain，會隨著不同情況而有變化。主要可分為三種 : 1. Close loop start-up ramp speed。 2. Close loop far ramp speed。 3. Close loop near ramp speed。 其中比重佔最大的為Close loop far ramp speed，一般調整到達全速100%花費時間，最先調整的就是這個項目。若Close loop far ramp speed仍不能達到需求，可試著調整剩餘兩項。 當調整完成後，請檢查幾個風扇特性 : 1. 風扇是否到達全速後，電流會忽大忽小，直到若干秒後才穩定。 2. 風扇是否起轉電流過大。 3. 風扇啟動是否不良。 狀況1代表Close loop near ramp speed太大或是Close loop far to near threshold太小，導致風扇轉速變化太快，轉速衝過頭又減速過頭。可優先減少Close loop near ramp speed，若效果不大，則再調整Close loop far to near threshold。 狀況2代表Close loop start-up ramp speed太大，請降低其速度以符合規範。 狀況3代表Close loop start-up ramp speed太小，請提高其速度以利起轉。若同時發生狀況2及狀況3，請減小Close loop start-up ramp speed並增加Lock Detection Time，讓其起轉速度變慢以降低電流，但同時把判斷是否Lock的時間往後延長，以免誤判Lock。 判定Lock的機制如下圖 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image022_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="557" height="210" width="557" height="210" id="圖片 26" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image022_zh-tw.png" /></a> 圖13. 起轉Lock示意圖 <h3>4-5. 風扇Lock機制設計</h3> 風扇處於Lock Detection Time時，會試圖將風扇由靜止啟動。此時由於沒有反電動勢，大電流導通將會導致MOSFET發熱。 若設定的Lock Release Time休息時間不足，導致熱累積，則會使晶片的過溫度保護機制啟動，導致重啟動失敗。 風扇Lock機制一般都是1:10。即Lock Detection Time : Lock Release Time = 1:10。後者所佔比例隨著風扇電流增加而增加。 因此我們挑選適宜的Lock Detection Time (約0.6sec~1sec)，使風扇可以順利起轉，再把Lock Release Time 設定為10倍的Lock Detection Time開始著手設計。 若客戶要求的Lock Detection Time規格較原設計大，則可直接放大至規格，並不會造成任何設計上的不良。反之若客戶要求的Lock Detection Time較小，則要驗證此設計是否可行 : 請把風扇用膠帶Lock住，並放入應用環境溫度最高溫中，觀察風扇Retry時MOSFET的溫度，是否在MOSFET的容許規格內。 <h3>4-6. 風扇TVS保護挑選</h3> 風扇在轉動中上電時，此時風扇為發電機，Retry時晶片電壓會瞬間加上發電電壓，若此電壓太大將會導致晶片燒毀。 為了預防此現象，晶片有個保護機制 : 0RPM Start Up。若晶片針測到HP、HN有動作，將會停止啟動風扇。 此保護機制在有迴風的系統中不建議使用，因迴風會導致風扇持續轉動，二使風扇無法啟動。建議在此系統中使用TVS來進行過壓保護。 TVS的導通電壓挑選原則是 : 只有在轉動中上電時啟動，而不在風扇換相時啟動。 因為前者是我們避不開且必須保護的應用情況，但後者是可透過增大電容來抑制的狀況。且風扇換相時啟動TVS保護，將會使能量無謂的消耗，導致風扇效率降低。 設計方法如下 : 1. 無TVS狀態下，觀察Diode後風扇轉動中MOSFET受到的最大換相電壓X (V)。 2. 挑選TVS啟動電壓為X~20V之間的電壓。 3. 若X > 20V，代表輸入電容過小，請增加輸入電容。 <h2 id="__Bookmark__7">5. 實驗結果與驗證</h2> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image023_zh-tw.jpg" class="fancybox"><img width="482" height="353" width="482" height="353" id="圖片 4" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image023_zh-tw.jpg" /></a> 圖14. 風扇設計驗證實驗波形圖 (1) CH1 : VDD12，CH2 : VUGB1，CH3 : VLG1，CH4 : Input Current，CHM : CH1-CH2 = VDD12-VUGB1 挑選Dead Time = 1µs 避免系統發生short through現象。 <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image024_zh-tw.jpg" class="fancybox"><img width="380" height="242" width="380" height="242" id="圖片 6" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image024_zh-tw.jpg" /></a> 圖15. 風扇設計驗證實驗波形圖 (2) CH2 : OUT1，CH4 : Input Current. 挑選CIN與TVS，使OUT1最大電壓小於20V。 <h2 id="__Bookmark__8">6. 總結</h2> 此份應用文獻提供給工程師一份系統化的RT8749A之設計流程。包括了Dead Time的計算、應用電路元件的挑選以及關鍵參數的設計考量。 透過上述的計算搭配實驗，帶領使用者一步步完成風扇系統的設計，避開潛藏在暗處的系統隱患，並解說每個關鍵參數與元件挑選原因。 期許此應用文獻，能幫助工程師減少開發新風扇系統的困難度。 <h2 id="__Bookmark__9">7. 附錄</h2> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image025_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="306" height="200" width="306" height="200" id="圖片 27" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image025_zh-tw.png" /></a> 圖16. RT8749A UGB1 pin & LG1 pin dead time state definition <h3>A、計算上橋導通和關閉時間 :</h3> P-Ch 導通電壓 Vgs = X (V)，N-Ch導通電壓 Vgs = Y (V)。 當UGB1導通，可列出方程式 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image026_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="209" height="71" width="209" height="71" id="圖片 17415" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image026_zh-tw.png" /></a> 由 (12), (13) 化簡 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image027_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="230" height="85" width="230" height="85" id="圖片 17416" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image027_zh-tw.png" /></a> 可列成一階微分方程式 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image028_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="251" height="48" width="251" height="48" id="圖片 30" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image028_zh-tw.png" /></a> 積分因子 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image029_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="224" height="46" width="224" height="46" id="圖片 17421" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image029_zh-tw.png" /></a> 同乘積分因子 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image030_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="455" height="265" width="455" height="265" id="圖片 17419" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image030_zh-tw.png" /></a> (22) 代入初始值求解Turn On方程式 : 當t = 0, Vg1 = VDD12 可解出方程式 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image031_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="273" height="41" width="273" height="41" id="圖片 17420" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image031_zh-tw.png" /></a> 因此要達到Turn On voltage ≤ X (V)，所需時間為 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image032_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="292" height="89" width="292" height="89" id="圖片 17436" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image032_zh-tw.png" /></a> 一般而tON會是µs等級，因此可忽略ns等級的mosfet充Cds時間。 當UGB2關閉，可列出方程式 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image033_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="170" height="73" width="170" height="73" id="圖片 17437" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image033_zh-tw.png" /></a> 由 (26), (27) 化簡 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image034_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="186" height="82" width="186" height="82" id="圖片 17438" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image034_zh-tw.png" /></a> 積分因子 :<a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image035_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="3" height="20" width="3" height="20" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image035_zh-tw.png" /></a> <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image036_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="169" height="45" width="169" height="45" id="圖片 17439" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image036_zh-tw.png" /></a> 同乘積分因子 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image037_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="270" height="210" width="270" height="210" id="圖片 17440" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image037_zh-tw.png" /></a> (34) 代入初始值求解Turn Off方程式 : 當t = 0, <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image038_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="95" height="37" width="95" height="37" id="圖片 17441" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image038_zh-tw.png" /></a> 可解出方程式 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image039_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="231" height="43" width="231" height="43" id="圖片 17442" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image039_zh-tw.png" /></a> 因此要達到Turn Off voltage ≥ X (V)，所需時間為 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image040_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="238" height="89" width="238" height="89" id="圖片 17443" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image040_zh-tw.png" /></a> <h3>B、計算下橋導通和關閉時間 :</h3> 套用電容充放電公式，可得 : <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image041_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="226" height="85" width="226" height="85" id="圖片 17444" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image041_zh-tw.png" /></a> <h3>C、計算Dead Time並考慮電容電阻誤差</h3> 假設電阻誤差A (%)，電容誤差B (%)，假設晶片 dead time = 0，則 TU_gate_dead_time_rising (Min.) = tup_on (Min.) – tdown_off (Max.) <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image042_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="457" height="38" width="457" height="38" id="圖片 17445" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image042_zh-tw.png" /></a> TU_gate_dead_time_rising (Max.) = <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image043_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="456" height="37" width="456" height="37" id="圖片 17446" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image043_zh-tw.png" /></a> TU_gate_dead_time_falling (Min.) = tdown_on (Min.) – tup_off (Max.) <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image044_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="420" height="40" width="420" height="40" id="圖片 17447" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image044_zh-tw.png" /></a> TU_gate_dead_time_falling (Max.) = <a href="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image045_zh-tw.png" class="fancybox"><img width="437" height="46" width="437" height="46" id="圖片 17448" alt="Technical Document Image Preview" src="/content/dam/richtek-eds/resources/application-notes/an043/html-images-zh-tw/image045_zh-tw.png" /></a> <table class="3-51" style="border: currentColor; width: 637.5pt; border-collapse: collapse;" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"> <tbody> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; height: 17pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; background-image: url(e); background-attachment: scroll; background-repeat: repeat; background-size: auto auto; background-origin: padding-box; background-clip: border-box; background-color: #009eb8;" colspan="2"> 相關資源 </td> </tr> <tr style="height: 17pt;"> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; height: 17pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; background-image: url(e); background-attachment: scroll; background-repeat: repeat; background-size: auto auto; background-origin: padding-box; background-clip: border-box; background-color: #ffffff;"> 立錡科技電子報</td> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; height: 17pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; background-image: url(e); background-attachment: scroll; background-repeat: repeat; background-size: auto auto; background-origin: padding-box; background-clip: border-box; background-color: #ffffff;"> <a href="http://www.richtek.com/My%20Richtek/Newsletters" class="link" target="_blank"> 訂閱立錡科技電子報</a> </td> </tr> <tr> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; height: 17pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; background-image: url(e); background-attachment: scroll; background-repeat: repeat; background-size: auto auto; background-origin: padding-box; background-clip: border-box; background-color: #ffffff;"> 檔案下載</td> <td style="border-width: 1pt 1px 1px 1pt; border-style: solid; border-color: #009eb8; height: 17pt; padding-right: 5pt; padding-left: 5pt; background-image: url(e); background-attachment: scroll; background-repeat: repeat; background-size: auto auto; background-origin: padding-box; background-clip: border-box; background-color: #ffffff;"> <a href="~/media/AN%20PDF/AN043_TW.ashx" class="link">PDF 下載</a> </td> </tr> </tbody> </table>

false

i18n(article-attachment.related-product-list.title)

_ATTACHMENT_HIDDEN_FIELD_

related-products

_ATTACHMENT_HIDDEN_FIELD_

applicationNoteArticle

width

fixed-width

articleSection

application-note

true

relatedProductList

left

btnAllApplicationNote2

text-with-icon

secondary

i18n(button-item.all-application-note.button-label)

i18n(button-item.all-application-note.button-link)

_self

false

width

fixed-width

productListSection

100