توضيح تصميم مصدر الطاقة من المستوى الأول لمتحكم المجال عالي التمرير: تصميم وحساب مصدر الطاقة

لقد دفعت التنمية السريعة لصناعة المركبات الجديدة للطاقة النمو الهائل في كل سلسلة صناعية، واصبحت الذكاء الاصطناعي للمركبات والقيادة الذاتية أهم قوة تنافسية مركزية لاتجاه المركبات الجديدة للطاقة، مما يطرح تحديات وفرص جديدة على الدماغ المركزي المتكامل عاليًا ومتحكم المجال، خاصة فيما يتعلق بموثوقية مصدر الطاقة التبديلية DC-DC وكثافة القدرة العالية وإدارة التوافق الكهرومغناطيسي للمصدر التبديلية عالية الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة.

تُعتبر شركة كوالكوم، بصفتها مُورِّدًا لوحدات التحكم في مجال الكوكتيل الذكي، أن الشرائط SA8155 وSA8295 تحتل موقعًا مهمًا. تيار التشغيل المستقر، والكفاءة في الوضع الاحتياطي، والتكلفة، والتناقض بين تصميم EMC لمصدر الطاقة التبديلي أصبح تحديًا هائلًا لتصميم مصدر طاقة BUCK. كيفيّة حل هذه التناقضات والتوازن بينها يُعدّ الاتجاه الفني لهندسة مصادر الطاقة التبديلية، وشريحة الطاقة، والمحث، وترانزستور Mosfet، والمكثف معًا.

يجمع هذا البحث بين تصميم مصدر الطاقة للمستوى الأول لمتحكم المجال المركزي في السيارات مع تيار مفتاح الديناميكية الكبير (100-300%)، لاستكشاف تصميم مصدر الطاقة التبديلية DC-DC، بما في ذلك خطة مصدر الطاقة واختيار المحولات والمكثفات وغيرها من طرق التصميم؛ مع أخذ الحجم والتكلفة والكفاءة والأداء في الاعتبار لاستكشاف التصاميم العملية القابلة للتطبيق.

يستعرض هذا المقال تصميمًا واقعيًا لمصدر طاقة تبديل BUCK من مرحلة واحدة باستخدام وحدة التحكم المجالية Qualcomm SA8295 كمثال.

تحتوي سلسلة المقالات هذه على ثلاث سلاسل (سيتم تحديثها بشكل مستمر في المستقبل):

01- فك شفرة تصميم إمداد الطاقة من المستوى الأول لمتحكمات كوالكوم للسيارات: تصميم وحسابات مصدر الطاقة (الفصل الحالي)

02- توضيح تصميم مصدر الطاقة من الدرجة الأولى لمتحكم المجال في السيارات من كوالكوم: تصميم المخطط الكهربائي وتصميم لوحة الدوائر

03- فك رموز تصميم مصدر الطاقة من الدرجة الأولى لمتحكم المجال في السيارات من كوالكوم: تحليل قياس اختبار الأداء

1- أهداف التصميم والتحديات

١.١ متطلبات التيار المؤقت SA8295

الجدول ١: متطلبات تصميم مصدر طاقة 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 (متحكم المجال في لوحة القيادة) - ميزانية التيار الكلي للسيارة بالكامل 7 إلى 10 مللي أمبير (عند 13.5 فولت)، استهلاك وحدة الاتصال 4G/5G وحدها 4 إلى 5 مللي أمبير، تيار وحدة SA8295 لكوالكوم 3 مللي أمبير (40 ملي واط) عند 13.5 فولت.

1.3 ثلاثة تحديات

1.3.1 تحدٍّ في خرج التيار لمصدر الطاقة التبديلي لوحدة SA8295 لمتحكم المجال لكوالكوم - التحدي الأول:

تيار عابر كبير، 3.3 فولت، 18 أمبير (0.1 مللي ثانية)، 0.1 مللي ثانية لمحول الطاقة التبديلي DC-DC ينتمي بالفعل إلى حالة الاستقرار الطويلة الأمد، ويحتاج إلى تصميم مصدر طاقة خفض Buck وفقاً لإخراج مستقر بـ 18 أمبير.

1.3.2 التحديات الديناميكية ذات التيار العالي لمصدر الطاقة التبديلي لوحدة Qualcomm SA8295 الخاضعة للتحكم المجالي 2:

التيار المستقر في التشغيل لوحدة Qualcomm SA8295 الخاضعة للتحكم المجالي يتراوح بين 5 إلى 9 أمبير، مما سيؤدي إلى وجود تناقض كبير فيما يتعلق بحجم الملف والتكلفة والتردد، حيث أن العلاقة بين حجم الملف والتيار غير مباشرة وتتطلب اختيار ملف يتناسب مع أكثر من 300% من التيار المستقر في التشغيل الفعلي.

1.3.3 التحديات المتعلقة بكفاءة القدرة المنخفضة لمصدر الطاقة التبديلي لوحدة Qualcomm SA8295 الخاضعة للتحكم المجالي 3:

استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد، يحتاج إلى كفاءة استهلاك 70% عند 13.5 فولت و 3 ملي أمبير، وهو ما يمثل تحدياً كبيراً أيضاً فيما يتعلق بتصميم معمارية المتحكم بالطاقة واختيار الملف الحثي.

هذا التصميم مبني على تصميم مصدر طاقة Buck من مستوى واحد لوحدة SA8295 الأكثر تحديًا، وذلك لاستكشاف الصعوبات الأساسية في تقنيات مصادر الطاقة التبديلية وحلول التقنيات DC-DC.

2- مقارنة بين خيارات البرامج

2.1 متطلبات التزويد بالطاقة لوحدة التحكم في المجال Qualcomm SA8295

كما هو موضح في الجدول 2:

الجدول 2: متطلبات مواصفات تصميم مصدر الطاقة لوحدة Qualcomm SA8295

2.2 تصميم البرنامج والمعلومات التقنية

MPQ2918 و MPQ2930 و LM25141-Q1 و MAX20098 و LTC7803 و LM25149-Q1 يمكن أن تفي بمتطلبات التصميم. في هذا التصميم، تم اختيار LM25149-Q1 كخيار لمصدر الطاقة من المستوى الأول في وحدة التحكم في المجال المركزي.

2.2.1 رابط الموقع الرسمي لوحدة LM25149-Q1:

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

الجدول 3: مراجع تصميم LM25149-Q1

2.2.2 وثيقة البيانات الخاصة بوحدة 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 مواصفات تصميم مصدر الطاقة Qualcomm SA8295

كفاءة

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: معادلات الحساب لتصميم مصدر الطاقة المتزامن (Synchronous BUCK)

3.4 حساب الحد الأدنى للحث

(للاطلاع على الصيغ، راجع الجدول 5.)

الجدول 6: الرسم البياني للحسابات للحد الأدنى من الحث (∆I=0.3)

الجدول 7: حساب الحث الأدنى

3.4.1 ملخص بيانات حساب الحث:

① إذا كان التصميم يغطي نطاق 6-20A (AI=0.3 حساب)، دخل 16V، خرج 6A، الحث ≥ 0.69μH.

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

③ بالنظر إلى اختيار التصميم الفعلي وخطأ الحث ±20%، اختر 0.82μH و 1.0μH كتصميم أفضل (يزداد قيمة الحث، يزداد حجم الحث، ترتفع التكاليف، ويقل SRF).

3.5 حسابات تيار الحث

(الصيغة: الرجوع إلى الجدولين 1 و 2 من الجدول 5)

الجدول 8: حساب تيار الحث 0.82μH

الجدول 9: حساب تيار الحث 1.0μH

3.5.1 تيار التشبع المحسوب نظريًا للحث ≥ 20.76A، تقريبًا إلى 21A:

الجدول 10: مؤشرات الحث

4- اختيار مُحَدِّد الطاقة للتبديل في مصدر الطاقة

الجدول 11: اختيار الملف الحثي

4.1 حساب مقاومة أخذ عينة تيار الملف الحثي لمصدر طاقة التبديل LM25149

الجدول 12: الحساب النظري لمقاومة أخذ العينة لتيار الملف الحثي

الجدول 13: اختيار مقاومة أخذ العينة الحثية

4.2 حساب سعة الخرج لمصدر الطاقة التبديلي BUCK المتزامن

(حساب سعة الخرج: الرجوع إلى المعادلة في الجدول 5)

الجدول 14: حساب سعة الخرج لمصدر الطاقة التبديلي BUCK المتزامن

في تصميم مصدر الطاقة التبديلي المتزامن منخفض (BUCK)، توجد تناقضات بين أداء مكثفات الإدخال والإخراج وحجمها وتكاليفها، يتم إكمال اختبار مؤشرات مواصفات السعة تحت ظروف معينة، والاختلافات في أدوات القياس خلال عملية الاختبار، قد يؤدي إلى فرق يتراوح بين 10-50% في المؤشرات نفسها، ويجب التحقق من الأداء النهائي للتصميم خلال عملية التجريب العلمي والاختبار (لا يوجد حل مثالي للتصميم، بل اختيار الأنسب لمتطلبات السيناريو)

يجب أن تفي مكثفات التبديل بالمتطلبات التالية: السعة ≥ 320uF (متطلبات القمة الزائدة)، سعة المكثف الخزفي يجب أن تكون أكبر من 2.435uF (ليست شرطًا أساسيًا، يمكن تلبيتها أو لا تُلبى)

الجدول 15: نماذج موصى بها لاختيار مكثفات مرشح الإخراج لمصدر الطاقة التبديلي

الجدول 16: تصميم مكثفات مرشح الإخراج لمصدر الطاقة التبديلي

4.3 حساب سعة مكثف إدخال مصدر الطاقة LM25149

4.3.1 حسابات السعة المدخلة

الجدول 17: حسابات مرشح المدخلات لمصدر الطاقة التبديلي

الجدول 18: اختيار مرشح المخرجات لمصدر الطاقة التبديلي

4.4 حسابات اختيار Mosfet LM25149

4.4.1 حسابات Mosfet

لا يحتوي ورقة مواصفات LM25149 على الكثير من الحسابات واختيار الحسابات، وحسابات QG واختيارها بناءً على التقديرات التجريبية العكسية، نختار نتائج الحسابات Vgs بقيمة 4.5-5.0 فولت، ≤ 22 نانوكولوم، ويرجع مسار الحسابات إلى الجدول التالي، ونختار منصة ميلر عند 2-3 فولت (يمكن القبول بالقرب من 3 فولت)، ونختار Rdson ≤ 8 مللي أوم.

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 حسابات تصميم EMC LM25149

بدون تحليل مفرط، راجع المواصفات.

5- ملخص التصميم

5.1 ملخص اختيار تصميم مصدر الطاقة LM25149BUCK

الجدول 22: التصميم والاختيار

5.2 ملخص البرنامج

إن أداء وفعالية مصدر الطاقة التبديلي المتزامن يتأثر بعدة عوامل، ويجب أخذ المؤشرات والأداء بعين الاعتبار مع العوامل الفعلية، وتُستخدم هذه الفصلية للحسابات النظرية والتوجيه النظري للتصميم الفعلي، حيث يرتبط أداء ومؤشرات التصميم ارتباطًا وثيقًا بأداء المكونات وظروف الاستخدام والتخطيط وغيرها من الجوانب التي تتطلب اختبارات وتأكيدات دقيقة.

تصميم مصدر طاقة متسلسل (Synchronous buck) لمجال وحدة التحكم عالية المستوى يُعد مجالاً تقنيًا صعبًا في تصميم وحدات التحكم، ويحتاج إلى تحقيق توازن بين الأداء والحجم والتكلفة. تركز شركة Kodak Ka على البحث والتطوير المستقل للمحثات (inductor)، ونموذج CSEB0660-1R0M مناسب للتطوير والتطبيق على المنصة عالية المستوى، ويتمتع بمزايا تقنية عالية من حيث نسبة التكلفة إلى الأداء، ومقاومة قوية للتشبع الكهربائي، وكمية حرارة منخفضة، إلخ، كما يتميز بنسبة متفوقة بين القدرة والحجم ضمن الصناعة. وتستمر Kodak Ka في التركيز على البحث والتطوير التقني والابتكار التكنولوجي لإنتاج منتجات ممتازة لصناعة المحثات (inductor) ولمساعدة تطوير وتطبيقات المنتجات الإلكترونية.