Dekódování návrhu prvního stupně napájení řídicí jednotky Qualcomm Automotive: Návrh a výpočet napájení

Rychlý vývoj průmyslu vozidel s novými zdroji energie podnítil explozivní růst napříč různými průmyslovými řetězci. Inteligentní řízení vozidel a autonomní jízda se staly nejdůležitějšími směry konkurenční výhody u vozidel s novými zdroji energie, což přináší nové výzvy a příležitosti pro vysoce integrované centrální procesory a doménové řadiče, zejména pokud jde o spolehlivost, vysokou hustotu výkonu, EMC spínaných zdrojů, vysokou účinnost a vysoký poměr ceny a výkonu DC-DC měničů.

Qualcomm, jako dodavatel inteligentních řídicích jednotek pro kokpity, zaujímá významnou pozici se svými modely SA8155 a SA8295. Konflikty mezi přechodným proudem, stabilním provozním proudem, účinností pohotovostního napájení, náklady a EMC návrhem spínaného napájecího zdroje (SMPS) primárního napájení centrální řídicí jednotky SOC (napájení od baterie k primárnímu převodu) představují velkou výzvu pro návrh BUCK napájecího zdroje. Jak tyto konflikty vyřešit a vyvážit je technickým směrem, ve kterém spolupracují architektura spínaného napájecího zdroje, napájecí čipy, tlumivky, tranzistory MOSFET a kondenzátory.

Tento článek kombinuje návrh primárního napájení centrálního doménového řadiče pro automobilové aplikace s velkým dynamickým spínaným proudem (100–300 %) a zkoumá návrh spínaných zdrojů DC-DC, včetně řešení napájení a metod výběru cívek a kondenzátorů. Diskutuje a implementuje praktický návrh při řešení výzev týkajících se objemu, nákladů, účinnosti a výkonu.

Tento článek na příkladu doménového řadiče Qualcomm SA8295 prozkoumává a implementuje praktický návrh primárního spínaného zdroje typu BUCK.

Tato série článků obsahuje tři části (budou postupně aktualizovány):

01- Dešifrování návrhu primárního napájení automobilového doménového řadiče Qualcomm: Návrh a výpočet napájení (tato kapitola)

02- Dekódování návrhu prvního stupně napájení řídicí jednotky Qualcomm Automotive: Návrh schématu a návrh desky plošných spojů

03- Dešifrování návrhu napájení 1. úrovně automobilového doménového řadiče Qualcomm: Analýza měření výkonu

1- Cíle a výzvy návrhu

1.1 Požadavky na přechodný proud pro SA8295

Tabulka 1: Požadavky na napájení pro SA8295

1.2 Požadavky na klidový proud SA8295

Klidový příkon napájecího zdroje 3,3 V SoC společnosti Qualcomm je v rozmezí 4–7,5 mA (včetně příkonu pro samoobnovu paměti), podporuje probuzení ze standby režimu.

Centrální mozek (řídicí jednotka kabiny) celkový proudový rozpočet vozidla 7-10 mA (13,5 V), samotný modul 4G/5G spotřebuje 4-5 mA, Qualcomm SA8295 aktuálně 13,5 V 3 mA (40 mW) nebo méně.

1.3 Tři výzvy

1.3.1 Výzva 1: Spínací napájecí zdroj řídicí jednotky Qualcomm SA8295 – výstupní proud

Velký přechodný proud, 3,3 V, 18 ampér (0,1 ms), 0,1 ms je již dlouhá doba ustáleného stavu pro spínací napájecí zdroj DC-DC, vyžaduje návrh krokového zdroje pro stabilní výstup 18 ampér.

1.3.2 Výzva 2: Dynamika spínacího napájecího zdroje high-end řídicí jednotky SA8295

Stálý pracovní proud řídicí jednotky SA8295 je 5–9 ampér, což způsobí rozdíl ustáleného pracovního proudu více než 300 % u indukčnosti spínacího napájecího zdroje (indukčnost je nepřímo úměrná jmenovitému proudu) co se týče objemu, nákladů a frekvence, čímž vznikají významné konflikty.

1.3.3 Výzva 3: Mikroúčinnost spínacího napájecího zdroje high-end řídicí jednotky SA8295

Spotřeba ve stand-by režimu, s účinností 70 % při 13,5 V a 3 mA, představuje velkou výzvu pro architekturu řídicího obvodu napájení a návrh výběru cívky.

Tento návrh vychází z výzvy maximálního primárního buck napájecího obvodu SA8295 a zkoumá klíčové obtíže spínaných napájecích zdrojů a řešení technologie DC-DC.

2- Porovnání výběru řešení

2.1 Technické požadavky na napájení doménové kontroly Qualcomm SA8295

Jak je uvedeno v tabulce 2:

Tabulka 2: Technické specifikace požadavků na napájecí řešení Qualcomm SA8295

2.2 Návrhové schéma a technická dokumentace

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 atd., mohou všechny splnit návrhové požadavky. Tento návrh volí LM25149-Q1 jako hlavní napájecí řešení centrální doménové řídicí jednotky pro tento projekt.

2.2.1 Oficiální adresa LM25149-Q1:

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

Tabulka 3: Referenční materiály k návrhu LM25149-Q1

2.2.2 Technický list LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-V Automobilní, synchronní, buck, DC/DC řídicí obvod s ultra-nízkou spotřebou IQ a integrovaným aktivním filtrem EMI - list s parametry (Rev. B)

2.2.3 Vývojová deska LM25149-Q1:

Návod k použití vyhodnocovací desky LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Stabilita a výkon aktivního filtru:

Jak zajistit stabilitu a výkon aktivních filtrů EMI (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Návrhové nástroje :

Kalkulačka návrhu LM5149-LM25149 | TI.com

3- Návrh a výpočet synchronního buck měniče

3.1 Hlavní specifikace a návrhové parametry LM25149

Tabulka 4: Technické specifikace požadavků na napájecí řešení Qualcomm SA8295

Efektivita

Aktivní filtry EMI

Testování EMI

Schéma referenčního návrhu

Hodnotící deska řešení referenčního návrhu

3.2 LM25149 Výpočet výběru synchronního BUCK induktoru

3.2.1 Vzorec pro výpočet synchronního BUCK spínaného zdroje:

Tabulka 5: Vzorce pro výpočet návrhu synchronního napájecího zdroje typu BUCK

3.3 Výpočet minimální indukčnosti

(Výpočtový vzorec, viz Tabulka 5.)

Tabulka 6: Graf křivky pro výpočet minimální indukčnosti (∆I=0,3)

Tabulka 7: Výpočet minimální indukčnosti

3.3.1 Shrnutí dat pro výpočet indukčnosti:

① Pokud návrh pokrývá rozsah 6-20 A (výpočet AI=0,3), se vstupním napětím 16 V a výstupním proudem 6 A, indukčnost by měla být ≥0,69 μH.

② Teoretický výpočet minimální indukčnosti spínaného napájecího zdroje Lmin: ≥ 0,69μH (teoretická hodnota);

③ S ohledem na skutečný výběr návrhu a tolerance indukčnosti ±20 %, zvolte 0,82 μH a 1,0 μH jako optimální návrh (zvýšení hodnoty indukčnosti zvyšuje velikost induktoru, náklady a snižuje SRF).

3.4 Výpočet proudů induktoru

(Vzorec: viz tabulky 5, položky 1 a 2)

Tabulka 8: Výpočet proudu cívky 0,82μH

Tabulka 9: Výpočet proudu cívky 1,0μH

3.4.1 Teoretický výpočet nasycení indukčního proudu ≥ 20,76 A, zaokrouhleno na 21 A:

Tabulka 10: Specifikace induční cívky

4- Výběr induční cívky pro spínaný zdroj

Tabulka 11: Výběr induktoru

4.1 Výpočet odporu pro snímání proudu spínaného zdroje pro LM25149

Tabulka 12: Teoretický výpočet odporu pro snímání proudu

Tabulka 13: Výběr odporu pro snímání proudu

4.2 Výpočet výstupního kondenzátoru pro synchronní BUCK spínaný zdroj

(Výpočet výstupního kondenzátoru: Viz rovnice v Tabulce 5)

Tabulka 14: Výpočet výstupního kondenzátoru pro synchronní BUCK spínaný zdroj

U synchronních krokových spínaných napájecích zdrojů existuje kompromis mezi výkonem, velikostí a náklady vstupních a výstupních filtrací kondenzátorů. Testování specifikace kondenzátorů se provádí za specifických podmínek a odchylky v měřicí technice během testování mohou u identických specifikací vykazovat rozchylky 10–50 %. Konečný návrh výkonu vyžaduje vědeckou validaci a ověření prostřednictvím ladění procesu (neexistuje jediné optimální řešení; pouze výběr schématu vhodného pro konkrétní aplikaci).

Spínací kondenzátory musí splňovat: Kapacita ≥ 320uF (požadavek na překmit), keramická kapacita větší než 2,435uF (není základní podmínkou, postačí splnění požadavku).

Tabulka 15: Doporučený výběr modelů výstupních filtrací kondenzátorů pro spínané napájecí zdroje

Tabulka 16: Návrh výstupních filtrací kondenzátorů pro spínané napájecí zdroje

4.3 Výpočet vstupního kondenzátoru pro napájecí zdroj LM25149

4.3.1 Výpočty vstupní kapacity

Tabulka 17: Výpočet vstupního filtru kondenzátoru pro spínaný zdroj

Tabulka 18: Výběr výstupních filtrů pro spínané zdroje

4.4 Výpočet výběru Mosfetu LM25149

4.4.1 Výpočet MOSFET

Datasheet LM25149 neobsahuje mnoho výpočtů a výběrových výpočtů. Výpočty QG a výběr jsou založeny na empirických odhadech a zpětných dedukcích. Výsledky výpočtu ukazují hodnotu 4,5-5,0 V Vgs a ≤22 nC. Výpočetní postup je uveden v následující tabulce. Millerova platforma je zvolena 2-3 V (přípustné je i blízko 3 V) a Rdson je zvoleno jako ≤8 mΩ.

Tabulka 19: Výběr a výpočty Mosfetu

4.5 Doporučení pro výběr Mosfetu

Tabulka 20: Modely výběru Mosfetu

4.6 Výpočty FB a kompenzace LM25149

Tabulka 21: Výpočty FB a kompenzace

4.7 Výpočet návrhu EMC pro LM25149

Bez přílišné analýzy se řiďte specifikacemi.

5- Shrnutí návrhu

5.1 Shrnutí návrhu a výběru zdroje LM25149 BUCK

Tabulka 22: Návrh a výběr

5.2 Shrnutí řešení

Výkon a účinnost synchronních spínaných zdrojů jsou ovlivněny mnoha faktory. Výkon a specifikace musí brát v úvahu praktické aspekty. Tato kapitola slouží k teoretickým výpočtům, které poskytují teoretické vodítko pro praktický návrh. Výkon a specifikace návrhu jsou úzce spojeny s výkonem součástek, provozními podmínkami, uspořádáním atd. a vyžadují důkladné testování a ověření.

Návrh synchronního krokového napájecího zdroje pro doménové řadiče Qualcomm je náročnou oblastí konstrukce řadičů, která vyžaduje rovnováhu mezi výkonem, velikostí a náklady. Společnost CODACA se zaměřuje na nezávislý výzkum a vývoj a návrh výkonových tlumivek a souosých tlumivek. Model CSEB0660-1R0M je vhodný pro vývoj a aplikace na platformě Qualcomm a nabízí vysokou cenovou efektivitu, silnou odolnost proti nasycení proudu, nízké ztráty tepla a průmyslově vedoucí poměr výkonu k objemu. CODACA je věnována technologickému výzkumu a vývoji a inovacím, vyvíjí vynikající produkty pro průmysl tlumivek a přispívá k rozvoji a aplikaci elektronických produktů.