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

لقد دفعت التنمية السريعة لصناعة المركبات الجديدة للطاقة النمو الانفجاري لكل سلسلة صناعية، واصبحت الذكاء الاصطناعي في السيارات والقيادة الذاتية أهم قوة تنافسية مركزية لاتجاه المركبات الجديدة للطاقة، وجاءت تحديات وفرص جديدة للمتحكمات المركزية والمدمجة بشدة والمتحكمات المجالية، خاصة فيما يتعلق بموثوقية مصدر الطاقة التبديلية DC-DC وكثافة القدرة العالية وإشعاع مصدر الطاقة التبديلية عالي الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة.

تُعتبر شركة كوالكوم كمورد لوحدة التحكم في مجال الكوكتيل الذكي، حيث تحتل منصتا SA8155 وSA8295 موقعًا مهمًا. إن تيار التشغيل المستقر، والتيار العابر، وكفاءة التشغيل في وضع الاستعداد، والتكلفة، والتناقض الموجود في تصميم EMC لمصدر الطاقة التبديلي للمستوى 1 لرقاقة SoC الخاصة بالتحكم المركزي في المجال (مصدر طاقة يتم تحويله من مستوى إدخال البطارية للمستوى 1) قد أصبحت تحديًا هائلًا لتصميم مصدر الطاقة BUCK. إن كيفية حل هذه التناقضات والتوازن بينها هو الاتجاه التكنولوجي الذي يعمل عليه مصنعو معمارية مصدر الطاقة التبديلية، وشرائح الطاقة، والمحثات، وعناصر Mosfet، والمكثفات معًا.

في هذا البحث، يتم استكشاف تصميم مصدر طاقة التبديل DC-DC لمستوى تحكم المجال المركزي في السيارات الذي يتعامل مع تيار ديناميكي كبير (100-300%)، بما في ذلك خطة تزويد الطاقة واختيار الملف والملف الكهربائي وطرق التصميم الأخرى، مع أخذ الحجم والتكلفة والكفاءة والأداء في الاعتبار لاستكشاف التحديات وإيجاد حلول عملية قابلة للتطبيق.

وباستخدام Qualcomm SA8295 كوحدة تحكم مجالية نموذجية، يناقش هذا الفصل ويُظهر تنفيذًا عمليًا لمصدر طاقة التبديل BUCK الأساسي.

يتطلب هذا الفصل فهمًا شاملاً للجزء الأول من السلسلة (الذي يشرح نظرية حسابات مصدر الطاقة BUCK بالتفصيل)، ثم يمضي قدمًا في تصميم مصدر طاقة BUCK مفصل بناءً على LM25149.

تحتوي هذه السلسلة من المقالات على ثلاثة أجزاء (ستتم إضافة تحديثات لاحقة مستمرة):

01- تحليل تصميم مستوى مصدر الطاقة الأول في وحدة التحكم المجالية لشركة Qualcomm للسيارات: تصميم وحسابات مصدر الطاقة (منشور)

٠٢- تحليل تصميم مستوى الطاقة الأول لمتحكم المجال في السيارات من شركة كوالكوم: تصميم المخطط الكهربائي وتصميم لوحة الدوائر المطبوعة (الفصل الحالي )

٠٣- تحليل تصميم مستوى الطاقة الأول لمتحكم المجال في السيارات من شركة كوالكوم: تحليل قياس اختبار الأداء (سيتم الإصدار لاحقًا)

١- أهداف التصميم والتحديات

١.١ متطلبات التيار المؤقت SA8295

الجدول ١: متطلبات تصميم مصدر طاقة SA8295

ملاحظة: يتطلب التصميم الأحدث لـ SA8295 تيارًا بقيمة ٢١ أمبير (وحدة معالجة الشبكة العصبية NPU واحدة) و٢٤ أمبير (وحدتين من NPU)، ويمكن لهذا التصميم تغطية هذه القيم (حماية من تيار زائد حتى ٣٠ أمبير)

١.٢ أهداف التصميم

يستخدم هذا التصميم LM25149 لتصميم مصدر الطاقة الأساسي لمتحكم المجال ، قادر على دعم تيار عابر بمقدار 24A (100µs) ويتماشى مع متطلبات التشغيل المستقرة التي تزيد عن 10A، مما يحقق توازنًا بين الحجم والتكلفة والأداء.

ملاحظة: التيار العابر لا يسبب مشكلة حرارية (بالنسبة لمعالج Qualcomm SA8295، يستمر التيار العابر فقط 100µs). ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التيار المستقر الكبير إلى ارتفاع درجة الحرارة، لذا يجب تقييم تأثير الأداء الحراري (يجب اختيار تصميم الحل بناءً على الظروف البيئية الفعلية).

2- مخطط التصميم ولوحة الدوائر المطبوعة

2.1 اختيار المكونات الأساسية

معايير اختيار مكونات مصدر الطاقة في وحدة التحكم حسب المجال: الأولوية للأداء، مع أخذ التكلفة بعين الاعتبار، مع تقليل مساحة لوحة الدوائر المطبوعة؛ مراعاة مشكلات التداخل الكهرومغناطيسي (EMC) ومشكلات حلقة التيار في مصادر الطاقة التبديلية من نوع BUCK، بما يتماشى مع نظرية وقواعد التصميم العامة لمصادر الطاقة التبديلية من نوع BUCK، ويمكن الرجوع إلى منهجيات التصميم العامة.

انظر الفصل 1 لمزيد من التفاصيل حول اختيار المكونات الإلكترونية والحسابات (توضيح تصميم مصدر الطاقة من المستوى 1 لوحدة تحكم مجال Qualcomm للسيارات: تصميم مصدر الطاقة والحسابات)

يختار هذا التصميم الخيار 2 (استخدام ثمانية مكثفات خزفية بسعة 47uF في العبوة C1210). لا يقتصر التصميم على هذا الاختيار، ويمكن تعديل تصميم المنتج وفقًا للوضع الفعلي للنموذج، مع تحسين التصميم بناءً على نتائج الاختبارات الفعلية.

الجدول 2: مصدر طاقة BUCK - تصميم الحل

2.1.1 مصدر طاقة BUCK - اختيار MOSFET

الجدول 3: مصدر طاقة BUCK - اختيار MOSFET

2.1.2 مصدر طاقة BUCK - اختيار المحث

اختيار محث باستخدام الرقم الطرازي: VSEB0660-1R0MV

الجدول 4: اختيار المحث

2.1.3 مصدر طاقة BUCK - اختيار مكثف الفلتر في المخرج

الجدول 5: مصدر طاقة BUCK - اختيار مكثف الفلتر في المخرج

2.1.4 مصدر طاقة BUCK - اختيار مكثف المرشح على المدخل

الجدول 6: مصدر طاقة BUCK - اختيار مكثف المرشح على المدخل

2.2 تصميم الأدوات للمخطط واللوح الطباعي (PCB)

2.2.1 التصميم الكهربائي والميكانيكي للوحة الطباعية (PCB): Caritron EDA ( https://lceda.cn/)

الشكل 1 مقدمة عن Caritron EDA

Jialitron EDA هي أداة تطوير مجانية رائدة في مجال EDA، قوية وفعالة في التطوير، ويتم في هذا التصميم استخدام Jialitron EDA لتصميم المخطط واللوح الطباعي (PCB).

2.3 مصدر طاقة BUCK - تصميم المخطط الكهربائي

2.3.1 مصدر طاقة BUCK - تصميم المخطط الكهربائي

يتم الإشارة إلى ورقة مواصفات LM25149-Q1 ولوحة التطوير الرسمية عند تصميم المخطط الكهربائي، ويتماشى التصميم مع النظرية الأساسية لمصدر الطاقة التبديلي BUCK ومع متطلبات التصميم الأساسية لمصدر الطاقة من الدرجة الأولى الخاصة بوحدة التحكم في المجال العالي.

الشكل 2 مخطط LM25149 الكهربائي

2.3.2 وحدة إمداد الطاقة BUCK - تصميم مخطط الدائرة يركز على التكنولوجيا

دارة EMC لمدخل الإشارة：

النقاط التقنية:

① الدور الرئيسي لـ L1 هو تقليل تأثير الضوضاء الناتجة عن التوصيل في مصدر الطاقة الناتج عن تشغيل وإيقاف وحدة الطاقة، وتبلغ ترددات التشغيل لوحدة الطاقة 2.2 ميغاهرتز، ويتم تشكيل دائرة تصفية LC من خلال L1 و C23 (و C16 هو مكثف كهربائي يعمل على الترددات المنخفضة دون 500 كيلوهرتز)، مما يقلل من الضوضاء عند 2.2 ميغاهرتز بمقدار 60 ديسيبل.

② تقلل C21 من ضوضاء التبديل (اهتزاز الحافة الصاعدة والنازلة للأنبوب الكهربائي) وتقلل بشكل رئيسي ضوضاء EMC ضمن نطاق 10-100 ميغاهرتز.

③ في حالة وجود مصدر طاقة (قبل الحماية) بالنسبة إلى C21 وC23، يجب اختيار نوع المكثف ذي الطرف المرن، وإذا كان محميًا، يمكن اختيار مكثفات بمواصفات سيارة. كما يمكن أيضًا استخدام مكثفين متصلين على التوالي مع تخطيط متعامد لتحقيق آلية حماية مشابهة.

بالنسبة لمكثفات بووير موسفيتات ومكثفات إدخال LM25149 ومكثفات التحييد، فإن المتطلبات واحدة، ولذلك لم تُستخدم هذه التصميمات للتحقق من الأداء، ويتم استخدام سيراميك واحد فقط، ويتبع التصميم على مستوى المنتج متطلبات التصاميم الخاصة بالسيارات.

ملاحظة: تقنية إلغاء EMC النشطة في LM25419 والتكنولوجيا المزدوجة لنطاق التردد العشوائي توفر تقليلًا جزئيًا في سعة EMC، ولكن لا يمكنها إلغاء EMC تمامًا، وبالنسبة للتطبيقات ذات التردد العالي (≥ 10A) والمرتبطة بتردد التبديل البالغ 2.2 ميغاهرتز، هناك خطر تجاوز المعايير، ويجب الاعتماد على التعديل الفعلي، وإذا كان بالإمكان تخطي الإشعاع باستخدام C23 فسيتم حفظ التطبيق الخاص بمكثف C23 وبالتالي تقليل التكلفة.

مكثفات إدخال الطاقة لدارة BUCK:

① C2، C3 لسعة مدخلات الطاقة BUCK، تعتبر الأداء الكهرومغناطيسي (EMC) أمرًا بالغ الأهمية، يجب اختيار سعة 10uF بحيث تكون المقاومة عند تردد 2MHz أقل من أو تساوي 5mΩ، يمكن الرجوع إلى المواصفات التقنية الجيدة لكل من CGA4J1X8L1A106K125AC وCGA6P1X7S1A476M250AC كمرجع، ويمكن اختيار السعة بمواصفات X7R، وتحمل جهد 35V/50V، والتعبئة C1210 وC1206 مقبولة. في هذا التصميم تم اختيار العبوة C1210، مما يتيح اختبار أداء المزيد من النماذج.

② C4 هي سعة تصفية EMC للتبديل عالي التردد، ويُنصح باختيارها بجهد 50V ومواصفات X7R، والعبوة C0402 مقبولة.

في تصميم التخطيط الخاص بـC2 وC3 وC4، يجب الانتباه إلى حلقة التيار (يرجى الرجوع إلى تفاصيل التخطيط)، والالتزام بمتطلبات ونظرية التصميم الأساسية لسعة مدخلات الطاقة BUCK، ويمكن مراجعة نظرية مصدر الطاقة BUCK التبديلي لتعزيز فهم أهمية السعة المدخلة.

③ TP7,TP9,TP13 تُستخدم لاختبار إشارات المفتاح TG و BG و SW، وتُستخدم لاختبار معقولية وقت الموت (dead time) وأداء التذبذب (ringing)، وأداء الحافة الصاعدة والهابطة لمفتاح MOSFET، وهي مؤشرات اختبار أداء كهربائي مهمة لمحولات الطاقة التبديلية.

نقطة اختبار TP الخاصة بـ GND تُستخدم لتقليل حلقة الأرضي (GND loop) في جهاز القياس بال.Scope وتحسين دقة الاختبار، ويجب وضعها في تصميم اللوحة (LAYOUT) قريباً قدر الإمكان من نقاط إشارات الاختبار ذات الصلة.

مقاومة محرك بوابة MOSFET:

① R1 و R2 هما مقاومتا محرك بوابة MOSFET، ولها تأثير مهم على الحافة الصاعدة والهابطة لمفتاح MOSFET للطاقة.

② يتم التحكم في اختيار R1 وR2 من خلال خرج محول الطاقة BUCK (المقاومات PULL وPUSH، وممانعة بوابة MOSFET وقدرته الاستيعابية (السعة المدخلات CISS)) الأسباب الشاملة المؤثرة على اختيار مجموع المقاومة في التصميم الأولي يجب أن يكون ≤ 10 أوم، كما يعتمد أيضًا على خصائص الشحن، ويحتاج في النهاية إلى ضبط دقيق واختيار القيمة المقاومة المناسبة.

③ إن R1 وR2 هما أيضًا العاملان الأكثر أهمية في تحديد الضوضاء التبديلية EMC، وفي الوقت نفسه يؤثران على عوامل الدائرة الأساسية لفقدان التبديل، ولذلك في التطبيقات العملية يجب تحقيق توازن بين الكفاءة (تسخين MOSFET) والتناقضات EMC للوصول إلى نقطة توازن.

ملاحظة: 6 نقاط اختبار لفحص خصائص التبديل وزمن الموت (Dead Time).

حلقة الطاقة الخارجة:

① اختيار الحث: يتم اختيار الحث بناءً على اعتبارين رئيسيين:

- تيار التشغيل العابر: قادر على إخراج 21 (24) A بشكل عابر (الزمن: 100 مايكروثانية)؛

-التيار الكهربائي المستقر في حالة التشغيل: 10 أمبير، قادر على العمل بشكل مستقر عند تيار 10 أمبير (يشمل ظروف درجة حرارة محيطة تصل إلى 85°م)

-مدة التيار العابر ≤ 100 ميكروثانية، ويحدث أثناء مرحلة التشغيل الأولية، فقط يجب التأكد من أن الملف الحثي لا يدخل في حالة اشباع لضمان توافق الشروط مع المتطلبات (لتحقيق قيمة الحث الكهربائي المناسبة للتيار).

② -اختيار مقاومة أخذ العينات: اختيار مقاومة أخذ العينات بحجم R1206، قدرة التبديد الحراري ≥ 0.5 واط.

③ -اختيار المكثفات: للمراجعة، راجع القسم الأول من فصل سعة الفلتر في المخرج.

-دائرة التغذية الراجعة:

-جهاز LM25149 يحتوي على تكوين خرج ثابت وتكوين خرج مع تغذية راجعة، راجع ورقة المواصفات للحصول على التفاصيل.

① -R14l متصلة بـ VDDA، وتنتج جهد 3.3 فولت

② -R14=24.9 كيلو أوم، وتنتج جهد 5.0 فولت

③ -R14=49.9 كيلو أوم، وتنتج جهد 12.0 فولت

-ترك R14 فارغة، يتم استخدام المقاومتين R9 وR10 لضبط جهد المخرج

R19 وTP3, TP4 المحجوزة: للاختبار، هامش الطور، تردد العبور، إلخ.

ملاحظة: تُستخدم TP3 وTP4 للاختبار، هامش الطور، تردد العبور، إلخ.

إعداد الوظيفة:

① EN: إشارة التمكين، ≥1.0 فولت تشغيل الطاقة، يمكن استخدامها لحماية الجهد المنخفض بدقة؛

② Sync-PG: الإخراج المتزامن أو جودة الطاقة، هذا التصميم يُستخدم لتوصيف جودة الطاقة؛

③ PFM/SYNC

-الوصلة الافتراضية (NC): مماثل للديود، إخراج تيار صغير، يمكن العمل بكفاءة عالية؛

-اختصار الوصلة إلى GND، وضع CCM القسري؛

④ إعدادات وضع تشغيل الشريحة: إجمالي خمسة أوضاع تشغيل (يرجى الرجوع إلى المواصفات)

2.4 مصدر طاقة BUCK - تصميم PCB

2.4.1 مصدر طاقة BUCK - تصميم الدوائر المطبوعة

① -TOP

② -GND

③ -Signal

④ -Bottom

2.4.2 مصدر طاقة BUCK - تركيز تصميم الدوائر المطبوعة على التكنولوجيا

حلقات السعة الكهربائية للإدخال والإخراج:

① إن الحفاظ على أدنى حلقة ممكنة من خلال استخدام سعات الإدخال والخروج في مصدر الطاقة BUCK له تأثير مهم على التوافق الكهرومغناطيسي (EMC).

② تُستخدم C4 بشكل أساسي لامتصاص تشويش الضوضاء الناتج عن حواف التشغيل والانطفاء.

حلقات MOSFET والمحثات:

① يقلل استخدام مفاتيح MOSFET المزدوجة من مساحة التخطيط وتقلل التكلفة، ولكن العيب هو أن تصميم SW لا يمكن الحفاظ على الحلقة الدنيا.

② نقطة SW الخاصة بمفتاح MOSFET المزدوج لا يمكن تنفيذ توجيهها في نفس طبقة اللوحة، ويجب تغيير الطبقة لتغطية الطائرة من أجل تحقيق استمرارية تيار الطاقة.

تيار أخذ العينات:

① يتطلب تيار أخذ العينات توجيهاً تفاضلياً مع مستوى GND المرجعي.

② لا يتطلب التحكم بالإعاقة والطول المتساوي، والتوجيه يحافظ على أقل مسافة في التصميم.

الردود التغذوية (FB):

الدوائر والمكونات الأخرى قريبة من دبابيس رقائق التحكم.

تبريد و GND:

الأجهزة المنتجة للحرارة: مفاتيح MOSFET، المحاثات ومقاومات أخذ العينات، يمكن بشكل مناسب زيادة مساحة الطائرة لنقل الحرارة، وإضافة ثقوب GND يمكن أن تساعد في تحسين ظروف التبريد للإصدار بأكمله.

تصميم مصدر طاقة BUCK بمستوى تحكم ثلاثي المجال - الملخص

3.1 رسم ثلاثي الأبعاد

الشكل ثلاثي الأبعاد-1

الشكل ثلاثي الأبعاد-2

3.2 ملخص التصميم

① يستخدم تصميم مصدر الطاقة المُبَدِّل تصميمًا رباعي الطبقات بسماكة لوحة دوائر كهربائية تبلغ 1.6 مم وأبعاد 30×65 مم؛

② يمكن للتيار المخرجي أن يلبّي متطلبات التيار اللحظي الأقصى البالغ 24 أمبير لجهاز Qualcomm SA8295، ويدعم قدرة إخراج مستقرة تبلغ 10 أمبير أو أكثر.

4- نبذة عن كوداكا الإلكترونيات

كوداكا يركز على البحث والتطوير المستقل للملفات الحثية، والتصميم والتصنيع، ويصلح VSEB0660-1R0M لتطوير منصة Qualcomm والتطبيقات، ويمتاز تقنيًا بتكلفة أداء عالية، ومقاومة عالية للتشبع الكهربائي، وإنتاج حراري منخفض، ونسبة قيادية في الصناعة بين القدرة والحجم. كوداكا يركز على البحث والتطوير التكنولوجي، والابتكار التكنولوجي، وتطوير منتجات متميزة لصناعة الملفات الحثية، وذلك لمساعدة تطوير المنتجات الإلكترونية والتطبيقات الخاصة بها.

5- الاختبار والتحقق

لمزيد من التحقق من الاختبار، يرجى الرجوع إلى: 03- تحليل تصميم مصدر الطاقة من المستوى الأول لمتحكم المجال في السيارات من شركة كوالكوم: تحليل قياس الأداء (سيتم الإطلاق لاحقًا)

[مرجع]

1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1

2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E