Vysvětlení návrhu napájení úrovně 1 řídicí jednotky vysokého kmitočtu: Návrh a výpočet napájení

Rychlý rozvoj průmyslu nových energetických vozidel podnítil explozivní růst každého článku dodavatelského řetězce, automobilová inteligence, autonomní řízení se stala nejdůležitější jádrovou konkurenceschopností směru nových energetických vozidel, což přináší nové výzvy a příležitosti pro vysoce integrovaný centrální mozek a řadiče domény, zejména pro spolehlivost spínaných zdrojů DC-DC, vysokou výkonovou hustotu, elektromagnetickou kompatibilitu spínaných zdrojů, vysokou účinnost, nákladovou efektivitu přináší nové výzvy a příležitosti.

Společnost Qualcomm, jako dodavatel řadiče inteligentní palubní soustavy, SA8155 a SA8295 zaujímá důležitou pozici. Napájení SOC úrovně 1 centrální doménové kontroly (napájení přeměněné z bateriového vstupu úrovně 1) vykazuje pulzní proud, stabilní provozní proud, účinnost pohotovostního režimu, náklady a konflikt mezi návrhem spínaného napájení EMC se stává obrovskou výzvou pro návrh BUCK napájecího zdroje. Jak tyto konflikty vyřešit a vyvážit, to je technickým směrem architektury spínaného napájení, napájecího čipu, indukční cívky, Mosfetu a kondenzátoru dohromady.

Tento článek kombinuje návrh napájení pro automotive centrální doménovou kontrolu úrovně 1 s velkým dynamickým spínacím proudem (100–300 %) a zkoumá návrh spínaného napájecího zdroje DC-DC, včetně schématu napájení, výběru cívek, kondenzátorů a dalších metod návrhu; bere v úvahu objem, náklady, účinnost, výkon a výzvy praktického nasazení.

Tento článek zkoumá a implementuje reálný návrh jednostupňového BUCK spínaného napájení s použitím řadiče domény Qualcomm SA8295 jako příklad.

Tato článková série obsahuje tři série (v budoucnu bude průběžně aktualizována):

01- Dešifrování návrhu napájení úrovně 1 řadiče automobilové domény Qualcomm: Návrh napájení a výpočet (tato kapitola)

02- Demystifikace návrhu napájecího zdroje úrovně 1 řídicí jednotky automobilové domény Qualcomm: Návrh schématu a návrh plošného spoje

03- Dešifrování návrhu napájecího zdroje úrovně 1 řídicí jednotky automobilové domény Qualcomm: Analýza měření výkonového testu

1- Cíle a výzvy návrhu

1.1 Požadavky na přechodný proud SA8295

Tabulka 1: Požadavky na návrh napájení 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 kokpitu) celkový proudový rozpočet celého vozidla 7–10 mA (13,5 V), samotný modul 4G/5G spotřebuje 4–5 mA, proud SA8295 Qualcomm 13,5 V 3 mA (40 mW) uvnitř.

1.3 Tři výzvy

1.3.1 Výzva č. 1: Spínaný napájecí zdroj řídicí jednotky Qualcomm Domény SA8295

Velký přechodový proud, 3,3 V, 18 A (0,1 ms), 0,1 ms pro spínaný zdroj DC-DC již patří do dlouhodobého ustáleného výstupu, potřebuje konstrukci Buck napájecího zdroje podle stabilního výstupu 18 A.

1.3.2 Qualcomm doménově řízený SA8295 spínaný zdroj vysokoproudé dynamické výzvy 2:

SA8295 doménové řízení ustáleného provozního proudu v rozmezí 5–9 A, což způsobí, že indukčnost spínaného zdroje (indukčnost a velikost proudu jsou nepřímo úměrné) při volbě ustáleného provozního proudu bude rozdíl více než 300 % ve velikosti, nákladech, frekvenci, což je větší rozpor.

1.3.3 Qualcomm doménově řízený SA8295 spínaný zdroj s mikrospotřebou a účinnostní výzvou 3:

Příkon v režimu standby, potřeba 13,5 V 3 mA, účinnost spotřeby 70 %, což je také obrovskou výzvou pro architekturu regulátoru napájení a návrh výběru indukčnosti.

Tento návrh vychází z návrhu nejnáročnějšího jednostupňového napájení typu Buck SA8295, aby byly prozkoumány hlavní obtíže spínaného napájecího zdroje a technologických řešení DC-DC.

2 - Porovnání výběru programů

2.1 Technické požadavky na napájení doménové kontroly Qualcomm SA8295

Jak je uvedeno v tabulce 2:

Tabulka 2: Požadavky na návrh napájení Qualcomm SA8295

2.2 Návrh programu a technické informace

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 a LM25149-Q1 mohou splnit požadavky na návrh. V tomto návrhu je jako schéma návrhu primárního napájení pro tento centrální mozek doménového regulátoru vybrán LM25149-Q1.

2.2.1 Oficiální adresa LM25149-Q1:

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

Tabulka 3: Reference k návrhu LM25149-Q1

2.2.2 Datasheet 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: Požadavky na návrh napájení 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: Rovnice pro výpočet návrhu synchronního BUCK zdroje

3.4 Výpočet minimální indukčnosti

(Pro vzorce viz Tabulka 5.)

Tabulka 6: Graf vypočtených hodnot minimální indukčnosti (∆I=0,3)

Tabulka 7: Výpočet minimální indukčnosti

3.4.1 Shrnutí dat výpočtu indukčnosti:

① Pokud návrh zahrnuje rozsah 6-20A (výpočet AI=0,3), vstup 16V, výstup 6A, indukčnost ≥ 0,69μH.

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

③ Vzhledem k praktickému návrhu, výběru a chybě indukčnosti ±20 %, vyberte 0,82μH a 1,0μH jako optimální návrh (hodnota indukčnosti se zvyšuje, rozměr indukčnosti se zvyšuje, cena stoupá, SRF klesá).

3.5 Výpočty proudu cívky

(Vzorec: viz tabulky 1 a 2 tabulky 5)

Tabulka 8: Výpočet proudu cívky 0,82μH

Tabulka 9: Výpočet proudu cívky 1,0μH

3.5.1 Teoreticky vypočtený proud nasycení cívky ≥ 20,76A, zaokrouhleno na 21A:

Tabulka 10: Indikační induktory

4- Výběr induktoru spínaného zdroje

Tabulka 11: Výběr induktoru

4.1 LM25149 Výpočet odporu pro měření proudu induktoru spínaného zdroje

Tabulka 12: Teoretický výpočet odporu pro měření proudu induktoru

Tabulka 13: Výběr měřicího rezistoru induktoru

4.2 Výpočet výstupní kapacity synchronního spínaného zdroje typu BUCK

(Výpočet výstupní kapacity: viz vzorec v tabulce 5)

Tabulka 14: Výpočet výstupní kapacity synchronního spínaného zdroje typu BUCK

U synchronního BUCK měniče dochází ke konfliktu mezi výběrem vstupních a výstupních filtračních kondenzátorů, jejich objemem, náklady a parametry. Měření kapacitních specifikací je prováděno za specifických podmínek. Rozdíly v měřicích metodách během testování mohou vést k odchylkám stejných parametrů až o 10-50%. Konečný návrh a jeho parametry musí být ověřeny v průběhu ladění a praktického testování (pro návrh neexistuje optimální řešení, pouze volba vhodná pro daný scénář).

Spínací kondenzátory musí splňovat: kapacita ≥ 320uF (překmitové požadavky), keramická kapacita větší než 2,435uF (není klíčová podmínka, pokud je splněna)

Tabulka 15: Doporučené modely pro výběr výstupních filtračních kondenzátorů spínaného zdroje

Tabulka 16: Návrh výstupních filtračních kondenzátorů spínaného zdroje

4.3 Výpočet vstupní kapacity napájení LM25149

4.3.1 Výpočty vstupní kapacity

Tabulka 17: Výpočty vstupního filtru spínaného napájecího zdroje

Tabulka 18: Výběr výstupního filtru spínaného napájecího zdroje

4.4 Výpočet výběru Mosfetu LM25149

4.4.1 Výpočty Mosfetu

V katalogovém listu LM25149 nenajdete příliš mnoho výpočtů a výběrových výpočtů, QG výpočty a výběr na základě odhadů zpětně, výsledky výpočtů vyberte pro 4,5–5,0 V Vgs, ≤ 22 nC, průběh výpočtu viz následující tabulku, vyberte Millerův plateau 2–3 V (přijatelná je i hodnota blízká 3 V), Rdson vyberte ≤ 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 LM25149 Návrh EMC výpočty

Bez nadměrné analýzy, viz specifikace.

5- Shrnutí návrhu

5.1 LM25149BUCK Shrnutí výběru napájecího zdroje

Tabulka 22: Návrh a výběr

5.2 Programové shrnutí

Výkon a účinnost synchronního spínaného napájecího zdroje ovlivňuje mnoho faktorů, výkon a indikátory je třeba posuzovat s ohledem na skutečné podmínky; tato kapitola slouží k teoretickým výpočtům, teoretickému vedení skutečného návrhu; návrh výkonu a indikátorů úzce souvisí s vlastnostmi komponent, provozními podmínkami, uspořádáním atd., což vyžaduje důkladné testování a ověření.

Návrh synchronního buck napájecího zdroje pro oblast vysokofrekvenčního řadiče je obtížnou technickou oblastí technologie návrhu řadičů, je třeba vyvážit výkon, rozměry a náklady. Kodak Ka se zaměřuje na nezávislý výzkum a vývoj cívek. CSEB0660-1R0M je vhodný pro vývoj a aplikaci vysokofrekvenční platformy, má vysokou cenovou příhodnost, silnou odolnost proti nasycení proudu, malé množství tepla a další technické výhody, disponuje průmyslově vedoucím poměrem výkonu k objemu; Kodak Ka se soustředí na technologický výzkum a vývoj, technologické inovace, vývoj vynikajících produktů pro indukční průmysl, aby podpořil vývoj a aplikaci elektronických produktů.