أدى التطور السريع لصناعة المركبات الكهربائية إلى دفع النمو الهائل لمختلف السلاسل الصناعية، وأصبحت المركبات الذكية والقيادة الذاتية الاتجاه الأكثر أهمية من حيث القدرة التنافسية الأساسية للمركبات الكهربائية، مما يجلب تحديات وفرص جديدة للدماغ المركزي عالي التكامل ووحدة تحكم النطاقات، خاصة فيما يتعلق بموثوقية مصادر الطاقة ذات التبديل من نوع DC-DC، وكثافة القدرة العالية، والتداخل الكهرومغناطيسي (EMC)، والكفاءة العالية، والتكلفة الفعالة.
بصفتها مورِّدًا لمتحكمات النطاق الذكي للقمرة، تحتل شريحتا SA8155 وSA8295 موقعًا مهمًا، وقد أصبح التناقض بين التيار العابر، والتيار المستقر أثناء التشغيل، والكفاءة في وضع الاستعداد، والتكلفة، وتصميم التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) لمصدر الطاقة الأساسي لشريحة التحكم المركزية (التي تم تحويلها من مستوى الإدخال الأساسي للبطارية) تحدٍ كبيرًا في تصميم مصدر الطاقة من نوع BUCK. إن كيفية حل هذه التناقضات والتوازن بينها هو الاتجاه التقني الذي تعمل عليه معًا شركات تصنيع معمارية مصادر الطاقة، وشرائح الطاقة، والمحثات، وترانزستورات MOSFET، والمكثفات.
تتناول هذه الورقة تصميم مصدر طاقة تبديدي تيار مستمر-مستمر لمصدر الطاقة الأساسي للتحكم في النطاق المركزي لمصدر طاقة تبديل ديناميكي كبير (100-300%)، بما في ذلك مخطط التغذية الكهربائية، واختيار المحثات والمكثفات وطرق التصميم الأخرى، مع أخذ التحديات المتعلقة بالأبعاد والتكلفة والكفاءة والأداء بعين الاعتبار.
يأخذ هذا الفصل وحدة التحكم في النطاق Qualcomm SA8295 كمثال لمناقشة وتنفيذ التصميم العملي لمصدر طاقة تبديدي من الدرجة الأولى BUCK.
يتطلب هذا الفصل قراءة السلسلة الأولى (النظرية والحسابات التفصيلية لمصدر الطاقة التبديدي BUCK) وتصميم مصدر الطاقة BUCK بالتفصيل استنادًا إلى LM25149.
تتكون هذه السلسلة من مقالات من ثلاث سلاسل (مع تحديثات مستمرة):
02- تحليل تصميم مصدر الطاقة من الدرجة الأولى لوحدة تحكم النطاق الخاصة بـ Qualcomm للسيارات: تصميم المخطط والتصميم PCB (هذا الفصل)
١- أهداف التصميم والتحديات
١.١ متطلبات التيار المؤقت SA8295
الجدول ١: متطلبات تصميم مصدر طاقة SA8295
ملاحظة: تتطلب متطلبات التصميم الأحدث لـ SA8295 أن تكون 21A (وحدة معالجة عصبية واحدة) و24A (وحدتي معالجة عصبية)، ويمكن لهذا التصميم تغطية (حماية من زيادة التيار حتى 30A)
1.2 أهداف التصميم
يستخدم هذا التصميم متحكم في النطاق بمستوى الطاقة الأول باستخدام LM25149 ، وهو ما يمكنه تلبية متطلبات التيار العابر البالغ 24A (100 ميكروثانية) وتلبية متطلبات التشغيل المستقر لأكثر من 10A، لتحقيق توازن شامل بين الحجم والتكلفة والأداء.
ملاحظة: لا يسبب التيار العابر مشكلة في توليد الحرارة (بالنسبة لشريحة كوالكوم SA8295 فقط، يكون التيار العابر 100 ميكروثانية)، بينما يؤدي التيار الكبير المستقر إلى ارتفاع درجة الحرارة، ويجب قياس تأثير الارتفاع في درجة الحرارة (يتم اختيار تصميم الحل وفقًا للظروف البيئية الفعلية).
2- مخطط التصميم ولوحة الدوائر المطبوعة
2.1 اختيار المكونات الأساسية
معايير اختيار مكونات مصدر الطاقة الأساسي لمتحكم النطاق: الأداء أولاً، مع مراعاة التكلفة وتقليل مساحة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)؛ مع الأخذ بعين الاعتبار مشكلة التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) ومشكلة حلقة التيار في مصدر طاقة التبديل BUCK، وهو ما يتماشى مع النظرية والقواعد العامة لتصميم مصادر طاقة التبديل من نوع BUCK، ويمكن الرجوع إلى الطريقة التصميمية العامة.
لمزيد من التفاصيل حول اختيار المكونات الإلكترونية والحسابات، يُرجى الرجوع إلى الفصل الأول ( فك تشفير تصميم مصدر الطاقة من المرحلة الأولى لمتحكم النطاق المخصص للسيارات من كوالكوم: تصميم ومصدر الطاقة والحسابات )
الخيار الثاني لهذا التصميم (باستخدام ثمانية مكثفات خزفية بسعة 47uF وموديل C1210). لا يقتصر التصميم على هذا الاختيار، بل يمكن تعديل تصميم المنتج وفقًا للحالة الفعلية، ويمكن إجراء تحسينات في 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
يتم اعتماد النموذج VSEB0660-1R0MV في اختيار المحث
الجدول 4: اختيار المحث
2.1.3 اختيار المكثف الفلاتر الخارجي لمصدر طاقة BUCK
الجدول 5: اختيار المكثف الفلاتر الخارجي لمصدر طاقة BUCK
2.1.4 مصدر طاقة BUCK - اختيار مكثفات التصفية للإدخال
الجدول 6: اختيار مكثف تصفية الإدخال لمصدر طاقة BUCK
2.2 تصميم الأدوات للمخطط واللوح الطباعي (PCB)
2.2.1 المخطط والتصميم PCB: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
الشكل 1 مقدمة عن Caritron EDA
JLC Technology EDA هي أداة تطوير إلكتروني مجانية رائدة في الصين، وتتميز بوظائف قوية وكفاءة عالية في التطوير، وقد تم اعتماد تصميم المخطط وPCB باستخدام JLC Technology EDA في هذا التصميم.
2.3 مصدر طاقة BUCK - تصميم المخطط الكهربائي
2.3.1 مصدر طاقة BUCK - تصميم المخطط الكهربائي
يستند التصميم النظري إلى مواصفات LM25149-Q1 ولوحة التطوير الرسمية، ويحقق التصميم النظرية الأساسية لمصدر الطاقة التبديلي من نوع BUCK ومتطلبات التصميم الخاصة بمصدر الطاقة الأساسي لوحدات التحكم في المجال عالي المرور.
الشكل 2 المخطط التخطيطي لـ LM25149
2.3.2 مصدر طاقة BUCK - التقنية الرئيسية في تصميم المخطط
دائرة EMC للإدخال：
النقاط التقنية:
① الوظيفة الرئيسية لـ L1 هي تقليل تأثير الضوضاء المشعة والموصلة الناتجة عن مصدر الطاقة التبديلي على مصدر الطاقة المدخل، حيث تبلغ تردد التبديل لمصدر الطاقة 2.2 ميغاهرتز، ويُشكّل L1 وC23 دائرة مرشح LC (وC16 هو المكثف الكهربائي، الذي يستخدم أساسًا للتواتر المنخفض أقل من 500 كيلوهرتز)، ويتم تخفيض التردد 2.2 ميغاهرتز بمقدار 60 ديسيبل.
② يقلل C21 من ضوضاء التبديل (رنين حافة الارتفاع والانخفاض في أنبوب الطاقة)، ويقلل بشكل أساسي من ضوضاء EMC في نطاق 10-100 ميغاهرتز.
③ إذا تم استخدام C21 وC23 في مصادر طاقة من الدرجة الأولى (قبل الحماية)، يجب اختيار نموذج مكثف ذو أطراف مرنة، وإذا كان الدخل محميًا، فيمكن اختيار مكثف من الفئة الخاصة بالسيارات. ويمكن تنفيذ آلية حماية مشابهة أيضًا باستخدام تخطيط سلسلة من مكثفين.
تُطلب نفس المتطلبات الخاصة بترابط المكثفات لمكونات MOSFET للطاقة ومكثفات الدخل LM25149، ولا يُستخدم هذا التصميم للتحقق من الأداء، ويتم استخدام مكثف خزفي واحد، ويتبع التصميم على مستوى المنتج متطلبات التصميم الخاصة بالفئة السياراتية.
ملاحظة: تقنية إلغاء EMC النشطة في LM25419 والتوزيع العشوائي المزدوج للطيف، تقلل فقط إلى حدٍ ما من سعة EMC، ولا يمكن القضاء على EMC تمامًا، وفيما يتعلق بالطاقة المرتبطة بالتردد التبادلي البالغ 2.2 ميغاهيرتز والتي تستخدم تيارًا عاليًا (≥10 أ) فما فوق، لا يزال هناك خطر تجاوز المعايير، ويجب الالتزام بما يتم التحقق منه عمليًا أثناء الضبط؛ وإذا كان بالإمكان اجتياز اختبار الإشعاع والنقل دون استخدام C23، فيمكن عندئذ حذف تطبيق C23 وتقليل التكلفة.
مكثفات إدخال الطاقة لدارة BUCK:
① C2، C3 هما مكثفان لإدخال طاقة BUCK، وهما ضروريان لأداء التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) لمزود الطاقة التبديلي. اختر المكثفات بسعة 10uF ذات مقاومة عند حوالي 2 ميغاهرتز أقل من أو تساوي 5 مللي أوم. تمثل الموديلات CGA4J1X8L1A106K125AC وCGA6P1X7S1A476M250AC مؤشرات تقنية جيدة يمكن الرجوع إليها. يمكن اختيار المكثفات بنوع X7R، وتحمل جهد 35 فولت/50 فولت، والطرز C1210 وC1206 متاحة. في هذا التصميم تم اختيار الطرز C1210، مما يتيح نطاقًا واسعًا من التحقق من أداء النماذج.
② C4 هو مكثف تردد عالي لـ EMC، اختر نوع X7R بجهد 50 فولت، وطرز C0402.
C2، C3، C4: يجب الانتباه أثناء التخطيط إلى حلقة التيار (يرجى الرجوع إلى تفاصيل التخطيط)، للوفاء بالمتطلبات الأساسية لمكثف إدخال طاقة BUCK ونظرية التصميم. يمكن دراسة نظرية مصدر الطاقة التبديلي من نوع BUCK لتعزيز الفهم حول مكثف الإدخال.
③ تُستخدم TP7 وTP9 وTP13 لاختبار إشارات TG وBG وSW للمفتاح، وتُستخدم لتقييم معقولية زمن المنطقة الميتة، وأداء الرنين، وأداء حواف الصعود والهبوط لمفتاح MOSFET، وهي مؤشر اختبار أداء كهربائي مهم لمصدر الطاقة التبديلي.
يُستخدم نقطة الاختبار TP الخاصة بـ GND لتقليل حلقة الأرض في جهاز قياس الذبذبات وتحسين دقة الاختبار، ويجب أن تراعي عملية التخطيط (LAYOUT) وضع نقطة الاختبار قريبة قدر الإمكان من إشارة الاختبار ذات الصلة.
مقاومة محرك بوابة MOSFET:
① R1 وR2 هما مقاومتا تشغيل البوابة لمفتاح MOSFET، ولهما تأثير كبير على حافتَي الصعود والهبوط لمفتاح MOSFET القوي.
② يتأثر اختيار R1 وR2 بأسباب مجمعة تتعلق بتيار الخرج لمتحكم الطاقة BUCK المُتحكم به (المتحكم (المقاومة السحبية والدفعية)، وممانعة البوابة وخصائص الشحنة لترانزستور MOSFET للطاقة (السعة المدخلات CISS)، ويتم اختيار المقاومة الكلية للمقاومات بحيث تكون ≤ 10 أوم في التصميم الأولي، وهو ما يعتمد أيضًا على خصائص الشحنة، ويجب ضبطه بدقة لاختيار القيمة المناسبة للمقاومة.
③ كما أن R1 وR2 هما المعلمتان الرئيسيتان المؤثرتان بشكل كبير على تداخل الضوضاء الكهرومغناطيسية EMC الخاصة بالتبديل، والعوامل الدوائرية الأساسية المؤثرة على فقدان التبديل.
ملاحظة: تُستخدم 6 نقاط اختبار لاختبار خصائص التبديل وزمن الموتى.
حلقة الطاقة الخارجة:
① اختيار المحث: يعتمد اختيار المحث بشكل أساسي على عاملين:
- التيار العامل اللحظي: قادر على إخراج لحظي بمقدار 24A (الزمن: 100us)؛
- التيار العامل في الحالة المستقرة: 10A، ويمكنه العمل بثبات عند تيار 10A (شاملاً ظروف درجة حرارة محيطة تبلغ 85℃);
-مدة تيار التشغيل العابر هي ≤ 100 ميكروثانية، وتحدث أثناء مرحلة البدء، ويُشترط فقط ضمان عدم تشبع الحث لتلبية المتطلبات (تلبية قيمة الحث للتيار).
② اختيار مقاومة العينة: تُختار مقاومة العينة في حزمة R1206، والقدرة الحرارية للتبريد ≥ 0.5 واط؛
③ اختيار المكثفات: المرجع: فصل مكثف التصفية الخارجي في الجزء الأول من الفصل؛
-دائرة التغذية الراجعة:
يحتوي LM25149 على تكوين خرج ثابت وتكوين خرج تغذية راجعة، والمحتوى التفصيلي يُراجع في دليل المواصفات؛
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
يتم تهيئة جهد الخرج بواسطة R14 وR9 وR10 على الملصق الفارغ؛
R19 والنقطتان المحجوزتان TP3 وTP4: للاختبار، هامش الطور، التردد العابر، إلخ.
ملاحظة: تُستخدم TP3 وTP4 لاختبار هامش الطور، التردد العابر، إلخ.
إعدادات الوظيفة:
① EN: إشارة تمكين، تشغيل الطاقة ≥ 1.0 فولت، يمكن حمايتها بواسطة انخفاض الجهد الدقيق؛
② Sync-PG: مخرج متزامن أو Power good، وقد صُمم هذا التصميم لـ Power Good;
③ PFM/SYNC
-الجامبر الافتراضي (غير متصّل): دايود تناظري، إخراج تيار صغير، يمكنه العمل بكفاءة عالية؛
-جامبر دائرة قصيرة إلى الأرض، وضع CCM بالإجبار؛
④ إعداد وضع تشغيل الشريحة: ما مجموعه 5 أوضاع تشغيل (يرجى الرجوع إلى كتيب 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 - التقنية الأساسية لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)
دوائر المكثفات للإدخال والإخراج:
① تحافظ مكثفات الإدخال والإخراج لمصدر طاقة BUCK على أقل دورة ممكنة، مما له تأثير مهم على التوافق الكهرومغناطيسي (EMC);
② يُستخدم C4 بشكل أساسي لامتصاص ضوضاء الرنين عند حواف الصعود والهبوط للمفتاح.
دوائر الترانزستور ثنائي القطب وملف الحث:
① استخدام ترانزستورات MOSFET مزدوجة يقلل من مساحة التصميم وتكاليفه، ولكن العيب هو أن التصميم لا يمكنه الحفاظ على أقل دورة ممكنة؛
② نقطة SW الخاصة بترانزستور MOSFET المزدوج لا يمكنها تحقيق تتبع الطبقة نفسها في لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، ويجب تغيير سطح الطبقة لتحقيق استمرارية تيار الطاقة.
تيار أخذ العينات:
① يجب أن تكون إشارة العينة من نوع التتبعات التفاضلية، ويجب أن يكون هناك مستوى مرجعي للأرض (GND plane).
② لا حاجة للتحكم في المعاوقة أو تساوي الأطوال، وتحافظ التتبعات على الحد الأدنى للتباعد المسموح به في التصميم.
الردود التغذوية (FB):
الدوائر والمكونات الأخرى قريبة من دبابيس رقائق التحكم.
تبريد و GND:
الأجهزة الحرارية: يمكن للمقاومات الثنائية (MOSFETs) والمحثات ومقاومات العينة زيادة التوصيل الحراري بشكل مناسب في منطقة المستوى، كما أن زيادة الفياز (GND vias) يساعد في تحسين ظروف تبديد الحرارة للوحة بأكملها.
تصميم مصدر طاقة BUCK من الدرجة الأولى الخاضع للتحكم حسب المجال - ملخص
3.1 رسم ثلاثي الأبعاد
الشكل ثلاثي الأبعاد-1
الشكل ثلاثي الأبعاد-2
3.2 ملخص التصميم
① يتم اعتماد تصميم لمصدر الطاقة التبديلي من 4 طبقات، بسماكة لوحة دوائر مطبوعة (PCB) تبلغ 1.6 مم، وبأبعاد 30×65 مم.
② يمكن للتيار الناتج تلبية أقصى تيار عابر لمعالج كوالكوم SA8295 البالغ 24 أمبير، ويدعم قدرة إخراج مستقرة تزيد عن 10 أمبير.
4- نبذة عن كوداكا الإلكترونيات
تركز شركة كوداكا على البحث والتطوير المستقل، وتصميم وتصنيع المحاثات، ويُعد الطراز VSEB0660-1R0M مناسبًا لتطوير ومنصات Qualcomm. ويتميز بمزايا تقنية مثل الأداء العالي مقابل التكلفة، والقدرة القوية على مقاومة التشبع الكهربائي، وتوليد حرارة منخفضة، كما يتمتع بنسبة قدرة إلى حجم رائدة في الصناعة. وتركز كوداكا على البحث والتطوير التكنولوجي والابتكار التقني، وتطوير منتجات ممتازة لصناعة المحاثات، وتساهم في تطوير وتطبيق المنتجات الإلكترونية.
5- الاختبار والتحقق
للتجارب والتحقق اللاحق، يرجى الرجوع إلى: 03- فك تشفير تصميم مصدر الطاقة من المرحلة الأولى لوحدة تحكم النطاقات الخاصة بشركة كوالكوم للسيارات: تحليل قياس اختبار الأداء .
[مرجع]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
EN