Application Note Wayne Chen AN013 – May 2014 G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 摘要 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。 目錄 1. 設計方法與元件選擇.................................................................................................................................2 1.1. 導通時間與開關頻率的初始設定 .............................................................................................................2 1.2. DCR 電流檢測網路之設計 .....................................................................................................................3 1.3. 負載線設計 ............................................................................................................................................5 2. 佈局注意事項 ...........................................................................................................................................5 2.1. 功率級佈局原則 .....................................................................................................................................5 2.2. IC 檢測墊和 RGND 佈局原則 .................................................................................................................5 3. 實驗結果與結論........................................................................................................................................6 3.1. 實驗結果 ...............................................................................................................................................6 3.2. 結論 ......................................................................................................................................................8 4. 參考資料 ..................................................................................................................................................8 AN013 © 2014 Richtek Technology Corporation 1 G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 1. 設計方法與元件選擇 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。 CPU 操作條件 輸入電壓 相位數 12V VBOOT 1.7V VDAC(MAX) 1.85V ICCMAX 106A ICC-DY 60A ICC-TDC 55A 負載線 快速電壓迴轉率 最大開關頻率 1.5mΩ 3 12.5mΩ/µs 300kHz 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) 1.1. 導通時間與開關頻率的初始設定 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。 TON(MAX) 1 fSW(MAX) VDAC(MAX) VIN(MAX) (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。 TON(MAX) AN013 1 1.85 514 (ns) 300k 12 © 2014 Richtek Technology Corporation 2 G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 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。 TON RTON C 2.2 VIN VDAC TON RTON C VDAC VIN VDAC VDAC < 2.2V (2) VDAC 2.2V 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。 514n RTON 18.2p 2.2 RTON 130kΩ 12 1.85 1.2. DCR 電流檢測網路之設計 IL1 VREF REQ RIMON3 RNTC RIMON1 IMON ISEN1N + - VCORE L1 DCR1 R1 C1 ISEN1P ISEN1N 680 RIMON2 IL2 COMP 1/2 L2 DCR2 - R2 C2 + 0.6V + + ISEN2N + - ISEN2P ISEN2N 680 IL3 L3 DCR3 R3 ISEN3N + - C3 ISEN3P ISEN3N 680 IL4 L4 DCR4 R4 ISEN4N + - C4 ISEN4P ISEN4N 680 圖一、RT8884B 完整電流迴路示意圖。 AN013 © 2014 Richtek Technology Corporation 3 G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 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 TCx 和 TLx 時間常數關係的輸出波形。 若 TCx 等於 TLx，預期的負載瞬態波形是可設計的。 若 TCx 小於 TLx，輸出電壓會突然下降，下衝規格的裕量會減少。 若 TCx 大於 TLx，在負載增加時，輸出電壓會緩慢地下降。 TCX R X C X TLX LX DCR X (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 TCx 設計為等於或稍大於時間常數 TLx，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。 AN013 © 2014 Richtek Technology Corporation 4 G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 1.3. 負載線設計 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。 1 DCR REQ A 2 RCS RLL I (mΩ) R2 AV R1 (4) 其中，DCR (25°C) = 0.72mΩ，RCS = 680Ω 是電流檢測電阻，REQ (25°C) 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。 1 DCR REQ 1 0.72m 16.8k R2 2 RCS 2 680 R2 59.2k 10k RLL 1.5m 2. 佈局注意事項 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： 2.1. 功率級佈局原則 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。 2.2. IC 檢測墊和 RGND 佈局原則 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。 AN013 © 2014 Richtek Technology Corporation 5 G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 Output Side Pad LX PHASEx Side Pad Strong Signal RT8884B RX CX ISENxP RCSx ISENxN 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。 Vias 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。 3. 實驗結果與結論 3.1. 實驗結果 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。 AN013 © 2014 Richtek Technology Corporation 6 G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 圖五、RT8884B 的 EVB 樣本。 表一、EVB 測試條件 VIN 12V VOUT 1.8V @ PS0 Phase Number 4 Ls 360nH / 0.72mΩ Co OSCON : 470µF / 4.5mΩ*4 MLCC : 22µF*19 圖六、量測 RT8884B 的負載線和效率。 AN013 © 2014 Richtek Technology Corporation 7 G-NAVPTM 架構電路的設計方法與佈局注意事項 (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。 3.2. 結論 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。 4. 參考資料 [1] 立錡科技, RT8884B 規格書. [2] Intel 文件, “Shark Bay UltrabookTM Platform Power Delivery” [3] Intel 文件, “Shark Bay Mobile Platform Power Delivery” [4] Intel 文件, “Shark Bay Desktop and Denlow-WS Platform” 相關資源 立錡科技電子報 訂閱立錡科技電子報 Richtek Technology Corporation 14F, No. 8, Tai Yuen 1st Street, Chupei City Hsinchu, Taiwan, R.O.C. Tel: 886-3-5526789 Richtek products are sold by description only. Richtek reserves the right to change the circuitry and/or specifications without notice at any time. Customers should obtain the latest relevant information and data sheets before placing orders and should verify that such information is current and complete. Richtek cannot assume responsibility for use of any circuitry other than circuitry entirely embodied in a Richtek product. Information furnished by Richtek is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Richtek or its subsidiaries for its use; nor for any infringements of patents or other rights of third parties which may result from its use. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Richtek or its subsidiari AN013 © 2014 Richtek Technology Corporation 8