فك تشفير تصميم مصدر الطاقة من المرحلة الأولى لمتحكم النطاق المخصص للسيارات من كوالكوم: تصميم ومصدر الطاقة والحسابات

أدى التطور السريع لصناعة مركبات الطاقة الجديدة إلى دفع نمو هائل عبر سلاسل الصناعة المختلفة. وأصبحت ذكاء المركبات والقيادة الذاتية الاتجاهات التنافسية الأهم لمركبات الطاقة الجديدة، مما يجلب تحديات وفرص جديدة لأدمغة مركزية عالية التكامل ومتحكمات النطاق، خاصةً من حيث موثوقية إمدادات الطاقة ذات التبديل DC-DC، وكثافة القدرة العالية، وتوافقها الكهرومغناطيسي (EMC)، والكفاءة العالية، والأداء العالي مقابل التكلفة.

تُعتبر شركة كوالكوم، بوصفها مورِّدًا لوحدات التحكم الذكية في قمرة القيادة، ذات موقع بارز من خلال منتجاتها SA8155 وSA8295. تُشكل التناقضات بين التيار العابر، والتيار المستقر أثناء التشغيل، وكفاءة استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد، والتكلفة، وتصميم التداخل الكهرومغناطيسي (EMC) لمصدر الطاقة الأساسي لوحدة التحكم المركزية (التيار الناتج عن البطارية عند الدخل إلى التحويل الأساسي)، تحديًا كبيرًا في تصميم مصدر طاقة BUCK. إن كيفية حل هذه التناقضات والتوازن بينها هو الاتجاه التقني الذي تعمل فيه معمارية مصدر الطاقة ذو الوضع التبديل، وشرائح الطاقة، والمحثات، وترانزستورات MOSFET، والمكثفات معًا.

يجمع هذا المقال بين تصميم مصدر الطاقة الأساسي لوحدة التحكم المركزية في التطبيقات automotive مع تيار إمداد كهربائي يعمل بالتبديل الديناميكي الكبير (100-300%)، ويستعرض تصميم مصادر طاقة التبديل DC-DC، بما في ذلك حلول الإمداد بالطاقة وطرق اختيار المحثات والمكثفات. كما يناقش وينفذ التصميم العملي مع معالجة التحديات المتعلقة بالحجم والتكلفة والكفاءة والأداء.

يستعرض هذا المقال وحدة التحكم في مجال Qualcomm SA8295 كمثال لاستكشاف وتنفيذ التصميم العملي لمصدر الطاقة الأساسي BUCK للتبديل.

يتكون هذا السلسلة من مقالات من ثلاث أجزاء (سيتم تحديثها باستمرار):

01- فك تشفير تصميم مصدر الطاقة من الدرجة الأولى لوحدة التحكم في مجال Qualcomm للسيارات: تصميم مصدر الطاقة وحساباته (الفصل الحالي)

02- فك تشفير تصميم مصدر الطاقة من المرحلة الأولى لمتحكم النطاق المخصص للسيارات من كوالكوم: تصميم المخططات وتصميم اللوحة الدوائر المطبوعة

03- تفسير تصميم مصدر الطاقة من المستوى الأول لوحدة التحكم في مجال Qualcomm للسيارات: تحليل قياسات اختبار الأداء

1- أهداف التصميم والتحديات

1.1 متطلبات التيار العابر لـ SA8295

الجدول 1: متطلبات تصميم الطاقة لـ SA8295

1.2 متطلبات التيار في وضع الاستعداد لوحدة SA8295

استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد لمصدر الطاقة 3.3V الخاص برقاقة كوالكوم النظامية (SOC) يتراوح بين 4 إلى 7.5 مللي أمبير (بما في ذلك استهلاك الطاقة لخاصية تجديد الذاكرة الذاتي)، مع دعم الإيقاظ من وضع الاستعداد.

الدماغ المركزي (وحدة تحكم مجال الكابينة) يستهلك ميزانية تيار إجمالية للمركبة تتراوح بين 7 إلى 10 مللي أمبير (13.5 فولت)، ووحدة 4G/5G تستهلك وحدها من 4 إلى 5 مللي أمبير، بينما تيار Qualcomm SA8295 عند 13.5 فولت هو 3 مللي أمبير (40 ملي واط) أو أقل.

1.3 ثلاثة تحديات

1.3.1 التحدي 1: مصدر طاقة كهربائي مُحوّل لوحدة التحكم في المجال Qualcomm SA8295 مع تيار خرج

تيار عابر كبير، 3.3 فولت، 18 أمبير (0.1 مللي ثانية)، حيث يُعد 0.1 مللي ثانية فترة طويلة نسبيًا لإخراج مستقر لمصدر الطاقة الكهربائي المُحوّل (DC-DC)، مما يتطلب تصميم مصدر الطاقة الخفضي ليكون قادرًا على إنتاج 18 أمبير بشكل مستقر.

1.3.2 التحدي 2: ديناميكية مصدر الطاقة الكهربائية المُحوّلة عالية الجودة لوحدة التحكم في المجال SA8295

معدل التيار العامل المستقر لوحدة التحكم في المجال SA8295 هو من 5 إلى 9 أمبير، ما يؤدي إلى فرق تيار عامل مستقر بأكثر من 300٪ في محث مصدر الطاقة الكهربائية المُحوّلة (حيث يكون المحث عكسي النسبة بالنسبة للتيار المقنن) من حيث الحجم والتكلفة والتكرار، ما يسبب تعارضات كبيرة.

1.3.3 التحدي 3: كفاءة مصدر الطاقة الكهربائية المُحوّلة الدقيقة عالية الجودة لوحدة التحكم في المجال SA8295

يستهلك الطاقة في وضع الاستعداد، مع كفاءة تبلغ 70٪ عند 13.5 فولت و3 مللي أمبير، مما يشكل تحديًا كبيرًا لهيكلية وحدة التحكم في إمدادات الطاقة وتصميم اختيار المحث.

يستند هذا التصميم إلى التحدي المتمثل في تصميم مصدر الطاقة الأساسي الأقصى SA8295، واستكشاف الصعوبات الأساسية في حلول تقنيات مصادر الطاقة التبديلية وتقنية DC-DC.

2- مقارنة اختيار الحلول

2.1 متطلبات التزويد بالطاقة لوحدة التحكم في المجال Qualcomm SA8295

كما هو موضح في الجدول 2:

الجدول 2: متطلبات المواصفات الفنية لتصميم طاقة Qualcomm SA8295

2.2 مخطط التصميم والمستندات التقنية

MPQ2918، MPQ2930، LM25141-Q1، MAX20098، LTC7803، LM25149-Q1، وغيرها، يمكن أن تفي جميعها بالمتطلبات التصميمية. ويختار هذا التصميم LM25149-Q1 كمخطط لمصدر الطاقة الأساسي لوظيفة وحدة التحكم في النطاق المركزي لهذا المشروع.

2.2.1 الرابط الرسمي لـ LM25149-Q1:

https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1

الجدول 3: مواد مرجعية لتصميم LM25149-Q1

2.2.2 ورقة مواصفات LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-V تلقائية، متزامنة، خفض الجهد، وحدة تحكم DC/DC ذات استهلاك كهربائي منخفض للغاية ومزودة بمرشح تداخل كهرومغناطيسي نشط متكامل (النسخة B)

2.2.3 لوحة تطوير LM25149-Q1:

دليل المستخدم لوحدة تقييم LM25149-Q1 (النسخة A) (ti.com.cn)

2.2.4 استقرار وفعالية المرشح النشط:

كيفية ضمان استقرار وفعالية مرشحات التداخل الكهرومغناطيسي النشطة (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 أدوات التصميم :

LM5149-LM25149DESIGN-CALC أداة الحساب | TI.com

3- تصميم وحساب مصدر طاقة متزامن منخفض (Synchronous BUCK)

3.1 المواصفات الرئيسية ومعايير التصميم الخاصة بـ LM25149

الجدول 4: متطلبات المواصفات الفنية لتصميم طاقة Qualcomm SA8295

الكفاءة

مرشحات تداخل كهرومغناطيسي نشطة

اختبار التداخل الكهرومغناطيسي

مخطط تصميم المرجعي

لوحة تقييم حل التصميم المرجعي

3.2 حساب اختيار مثبط الدائرة المتزامنة LM25149 (Synchronous BUCK)

3.2.1 صيغة حساب مصدر الطاقة المتزامن (Synchronous BUCK):

الجدول 5: صيغ حسابات تصميم مصدر طاقة BUCK المتزامن

3.3 حساب الحد الأدنى للملف الحثي

(صيغة الحساب، انظر الجدول 5.)

الجدول 6: مخطط منحنى حساب الحد الأدنى للحث (∆I=0.3)

الجدول 7: حساب الحث الأدنى

3.3.1 ملخص بيانات حساب الحث:

① إذا كان التصميم يشمل المدى من 6 إلى 20 ألمبير (حساب AI=0.3)، مع دخل 16 فولت وخرج 6 أمبير، فيجب أن يكون الحث ≥0.69 مايكرو هنري.

② حساب نظري للحث الأدنى للمحول Lmin: ≥ 0.69μH (نظري);

③ بالنظر إلى اختيار التصميم الفعلي والتسامح في القيمة الحثية ±20%، يُفضّل اختيار 0.82 مايكرو هنري و1.0 مايكرو هنري كتصميم مثالي (زيادة قيمة الحث تؤدي إلى زيادة حجم الملف وتكلفته وانخفاض تردد الاستجابة الذاتي SRF).

3.4 حسابات تيار الملف الحثي

(الصيغة: راجع الجدول 5، البندان 1 و2)

الجدول 8: حساب تيار الحث 0.82μH

الجدول 9: حساب تيار الحث 1.0μH

3.4.1 التيار المشبع النظري للحث ≥ 20.76 ألمبير، مقربًا إلى 21 ألمبير:

الجدول 10: مواصفات المحث

4- اختيار محث لمصدر طاقة التبديل

الجدول 11: اختيار الملف الحثي

4.1 حساب مقاومة أخذ عينة التيار لمصدر طاقة التبديل LM25149

الجدول 12: الحساب النظري لمقاومة أخذ عينة التيار

الجدول 13: اختيار مقاومة أخذ عينة التيار

4.2 حساب المكثف الخارج لمصدر طاقة التبديل BUCK المتزامن

(حساب المكثف الخارجي: راجع المعادلة في الجدول 5)

الجدول 14: حساب المكثف الخارجي لمصدر طاقة التبديل BUCK المتزامن

في تصميمات مزود الطاقة التبديلي المنخفض المتزامن، توجد مقايضة بين أداء وحجم وتكلفة مكثفات المرشح للإدخال والإخراج. يتم إجراء اختبار مواصفات المكثف في ظل ظروف محددة، وقد تؤدي الاختلافات في الأجهزة المستخدمة أثناء الاختبار إلى فروق تتراوح بين 10-50٪ بالنسبة للمواصفات المتطابقة. يتطلب الأداء النهائي للتصميم التحقق العلمي والاختبار من خلال عملية التصحيح (لا يوجد حل أمثل واحد؛ بل يتم فقط اختيار الحل الأنسب للتطبيق المحدد).

يجب أن تستوفي المكثفات التبديلية الشروط التالية: السعة ≥ 320uF (شرط الزيادة اللحظية)، وسعة المكثف الخزفي أكبر من 2.435uF (ليست شرطًا أساسيًا، ويُكتفى بتحقيق الشرط).

الجدول 15: التوصية باختيار نماذج مكثفات مرشح الإخراج لمزود الطاقة التبديلي

الجدول 16: تصميم مكثفات مرشح الإخراج لمزودات الطاقة التبديلية

4.3 حساب مكثف الإدخال لمزود الطاقة LM25149

4.3.1 حسابات السعة المدخلة

الجدول 17: حساب مكثف المرشح المدخل لمصدر الطاقة التبديلي

الجدول 18: اختيار مرشحات الخرج لمصادر الطاقة التبديلية

4.4 حسابات اختيار Mosfet LM25149

4.4.1 حسابات MOSFET

لا يتضمن ورقة مواصفات LM25149 العديد من الحسابات أو حسابات الاختيار. تعتمد حسابات واختيارات QG على تقديرات تجريبية واستنتاجات عكسية. تشير نتائج الحساب إلى قيمة Vgs تتراوح بين 4.5-5.0 فولت و≤22nC. يتم عرض عملية الحساب في الجدول أدناه. يتم اختيار منصة ميلر بقيمة 2-3 فولت (ويمكن قبول القيمة القريبة من 3 فولت أيضًا)، ويتم اختيار Rdson بقيمة ≤8mΩ.

الجدول 19: اختيار Mosfet وحساباته

4.5 توصيات اختيار Mosfet

الجدول 20: نماذج اختيار Mosfet

4.6 حسابات FB وتعويض LM25149

الجدول 21: حسابات FB والتعويض

4.7 حساب تصميم EMC لـ LM25149

دون الدخول في تحليل مطول، يُرجى الرجوع إلى المواصفات.

5- ملخص التصميم

5.1 ملخص تصميم وتحديد اختيار مصدر طاقة BUCK باستخدام LM25149

الجدول 22: التصميم والاختيار

5.2 ملخص الحل

تتأثر أداء وكفاءة مزودات الطاقة التبديلية المتزامنة بالعديد من العوامل. وينبغي أن تأخذ الأداء والمواصفات بعين الاعتبار العوامل العملية. ويُستخدم هذا الفصل للحسابات النظرية لتوفير توجيه نظري لتصميم العملي. وترتبط الأداء والمواصفات الخاصة بالتصميم ارتباطًا وثيقًا بأداء المكونات، وظروف الاستخدام، والتخطيط، وغيرها، مما يتطلب اختبارات وتحقق دقيق.

يُعد تصميم مصدر الطاقة الانضغاطي المتزامن لمتحكمات Qualcomm مجالاً صعباً في تصميم المتحكمات، ويستدعي التوفيق بين الأداء والحجم والتكلفة. وتتركز أنشطة CODACA على البحث والتطوير المستقل وتصميم الحثيات ومثبطات النمط المشترك. ويُعد الطراز CSEB0660-1R0M مناسباً لتطوير ومنصات تطبيقات Qualcomm، حيث يوفر كفاءة عالية من حيث التكلفة، ومقاومة قوية للتيار المشبع، وتوليدًا منخفضًا للحرارة، ونسبة طاقة إلى حجم رائدة في القطاع. وتمضي CODACA قُدمًا في البحث والتطوير التكنولوجي والابتكار، بهدف إنتاج منتجات متميزة لصناعة الحثيات والإسهام في تطوير المنتجات الإلكترونية وتطبيقاتها.