Vysvětlení návrhu napájení úrovně 1 automobilového doménového regulátoru Qualcomm: Návrh schématu a návrh PCB

Rychlý rozvoj průmyslu vozidel na nové energie podnítil explozivní růst každého článku průmyslového řetězce. Automobilová inteligence a autonomní řízení se staly nejdůležitějšími jádrovými konkurenčními výhodami směru vývoje nových energetických vozidel. Vysoce integrovanému centrálnímu mozku a řídicím jednotkám domén tak vznikají nové výzvy a příležitosti, zejména pro spolehlivost spínaných napájecích zdrojů DC-DC, vysokou výkonovou hustotu, elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) spínaných napájecích zdrojů, vysokou účinnost a nákladovou efektivitu.

Qualcomm jako dodavatel inteligentního kokpitu a doménového kontroléru, SA8155 a SA8295 zaujímá důležitou pozici, centrální doménové řízení SOC úroveň 1 napájení (napájení přeměněné z bateriového vstupu úroveň 1) výskyt krátkodobého proudu, stabilní provozní proud, pohotovostní provozní efektivita, náklady a rozpor mezi konstrukcí spínaného napájení EMC se stává obrovskou výzvou pro návrh BUCK napájení. Jak tyto rozpory vyřešit a vyvážit je směr společné práce výrobců spínaných napájecích architektur, napájecích čipů, cívek, Mosfetů a kondenzátorů.

V tomto článku se zabýváme návrhem napájení centrální doménové kontroly automobilů na úrovni 1 pro velké dynamické spínací proudy (100–300 %) a zkoumáme návrh spínaného napájení DC-DC, včetně volby napájecího schématu, induktoru, kapacitoru a dalších návrhových metod. Zohledňujeme výzvy týkající se objemu, nákladů, účinnosti a výkonových parametrů s ohledem na praktické nasazení.

Jako příklad použijeme Qualcomm SA8295 doménový řadič a v této kapitole rozebereme a implementujeme reálný návrh primárního BUCK spínaného zdroje.

Tato kapitola vyžaduje důkladné pochopení první části série (podrobně rozebírající teorii a výpočty BUCK spínaného zdroje), a poté pokračuje v návrhu detailního BUCK napájení založeného na LM25149.

Tato série článků obsahuje tři díly (následné pokračování bude pravidelně aktualizováno):

01-Prohloubení návrhu napájení úrovně 1 u automobilového doménového řadiče Qualcomm: Návrh a výpočet napájení (Zveřejněno)

02-Decrypting návrhu napájení úrovně 1 řídicí jednotky automobilové domény Qualcomm: Návrh schématu a návrh plošného spoje (tato kapitola )

03-Decrypting návrhu napájení úrovně 1 řídicí jednotky automobilové domény Qualcomm: Analýza měření výkonových testů (bude zveřejněno)

1- Cíle a výzvy návrhu

1.1 Požadavky na přechodný proud SA8295

Tabulka 1: Požadavky na návrh napájení SA8295

Poznámka: Nejnovější návrh SA8295 vyžaduje 21 A (1 NPU) a 24 A (2 NPU), což tento návrh pokrývá (ochrana proti přetížení 30 A)

1.2 Cíle návrhu

Tento návrh používá LM25149 pro návrh primárního napájení řídicí jednotky , schopný podporovat krátkodobý proud 24A (100µs) a splňující požadavek na ustálený provoz přes 10A, dosahuje vyváženého kompromisu mezi velikostí, náklady a výkonem.

Poznámka: Krátkodobý proud nezpůsobuje tepelný problém (u Qualcomm SA8295 trvá krátkodobý proud pouze 100µs). Avšak velký ustálený proud může vést ke zvýšení teploty, proto je třeba posoudit vliv tepelného výkonu (volba návrhového řešení by měla být založena na skutečných klimatických podmínkách).

2 - Schéma a návrh plošného spoje

2.1 Výběr klíčových komponent

Kritéria pro výběr spínaných napájecích součástek na úrovni doménového regulátoru: priorita výkonu, s ohledem na náklady, zároveň se snižuje plocha plošného spoje; uvažujte EMC problémy a problémy proudové smyčky u BUCK spínaného napájení, v souladu s obecnou teorií a pravidly návrhu BUCK spínaného napájení, lze se řídit obecnou metodikou návrhu.

Viz kapitola 1 pro podrobnosti výběru a výpočtu elektronických komponent (Demystifikace návrhu napájení úrovně 1 řídicí jednotky automobilové domény Qualcomm: Návrh napájení a výpočty)

Tento návrh volí možnost 2 (použití osmi keramických kondenzátorů 47uF v pouzdře C1210). Návrh není omezen na tento výběr, konstrukce produktu může být upravena podle konkrétní situace modelu a optimalizována na základě skutečných testovacích výsledků.

Tabulka 2: Napájení typu BUCK - návrh schématu

2.1.1 Napájení typu BUCK - výběr MOSFETu

Tabulka 3: Napájení typu BUCK - výběr MOSFETu

2.1.2 Napájení typu BUCK - výběr cívky

Výběr cívky s použitím typového označení: VSEB0660-1R0MV

Tabulka 4: Výběr cívky

2.1.3 Napájení typu BUCK - výběr výstupního filtračního kondenzátoru

Tabulka 5: Napájení typu BUCK - výběr výstupního filtračního kondenzátoru

2.1.4 Výběr vstupního filtru napájení typu BUCK

Tabulka 6: Napájení typu BUCK – výběr vstupního filtračního kondenzátoru

2.2 Návrh schémat a návrh desky plošných spojů

2.2.1 Návrh schémat a desek plošných spojů: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)

Obrázek 1 Úvod do Caritron EDA

Jialitron EDA je přední bezplatný vývojový nástroj pro EDA, výkonný a efektivní. Tento návrh využívá Jialitron EDA pro návrh schémat a DPS.

2.3 Napájení typu BUCK – návrh schématu

2.3.1 Napájení typu BUCK – návrh schématu

Návrh schématu odkazuje na údaje LM25149-Q1 a oficiální vývojovou desku, návrh odpovídá základní teorii spínaného napájení typu BUCK a požadavkům na návrh primárního napájení vysokopásmového řadiče.

Obrázek 2 Schéma zapojení LM25149

2.3.2 BUCK Napájecí zdroj - Technologie zaměřená na návrh schématu

Vstupní port EMC obvod:

Technické body:

① Hlavním účelem L1 je snížit vliv vodivého rušení spínaného napájecího zdroje na vstupní napájení, spínací frekvence napájecího zdroje je 2,2 MHz; L1 a C23 tvoří dolní propust (C16 je elektrolytický kondenzátor pro nízkofrekvenční pásmo do 500 kHz), která potlačuje 2,2 MHz o 60 dB.

② C21 snižuje spínací šum (zvonění při náběžné a sestupné hraně výkonového tranzistoru) a hlavně EMC šum v rozsahu 10–100 MHz.

③ Pokud jsou C21, C23 před ochranou napájecího zdroje, je nutné vybrat pružný typ kondenzátoru s flexibilními vývody; pokud je napájení chráněno, lze použít automobilní kondenzátory. Pro dosažení podobného ochranného mechanismu lze také použít dva kondenzátory zapojené do série ortogonálně.

U výkonových MOSFETů a LM25149 má vstupní kapacita a odrušovací kapacita stejné požadavky, toto zapojení se nepoužívá pro ověření výkonu, použití jediné keramické kondenzátory bude v projektu automobilové kategorie sledovat návrhové požadavky.

Poznámka: LM25419 aktivní potlačení EMC a dvojitá náhodná spread spektrum technologie pouze do určité míry snižuje amplitudu EMC a nemůže EMC úplně eliminovat, pro spínací frekvenci 2,2 MHz související s energií, vysokým proudem (≥ 10 A) aplikace hrozí překročení standardu, je třeba vycházet z reálného ladění, pokud lze odstraněním C23 stále provést radiační test a vedení může být úspěšné, pak lze aplikaci C23 vynechat, čímž se sníží náklady.

Vstupní kondenzátory BUCK napájení:

① C2, C3 pro vstupní kapacitu BUCK napájení, pro spínaný zdroj je EMC výkon kritický, volba kapacity 10uF na impedanci ≤ 5mΩ při 2MHz, kondenzátory CGA4J1X8L1A106K125AC a CGA6P1X7S1A476M250AC mají dobré technické parametry jako referenční, pro výběr kapacity lze použít keramiku X7R, napěťová odolnost 35V/50V, pouzdra C1210 a C1206 jsou vhodná. Tato návrhová varianta využívá pouzdra C1210, což umožňuje ověřit výkon více modelů.

② C4 pro vysokofrekvenční spínací EMC kondenzátor, vyberte 50V X7R, pouzdro C0402 je vhodné.

C2, C3, C4, při výkresu desky plošných spojů je třeba věnovat pozornost proudové smyčce (viz podrobnosti výkresu), musí odpovídajícím základním požadavkům a teorii návrhu vstupní kapacity BUCK napájení, doporučuje se studium teorie BUCK spínaných zdrojů za účelem hlubšího porozumění funkci vstupních kapacit.

③ TP7, TP9, TP13 se používají k testování spínače TG, BG a SW signálů, k testování důvodnosti mrtvé doby, oscilačního chování a nárůstového a sestupného chování MOSFETu, což jsou důležité indikátory elektrických výkonových spínaných zdrojů.

Testovací bod GND TP slouží ke snížení smyčky osciloskopu a ke zlepšení přesnosti měření, přičemž LAYOUT by měl být umístěn co nejblíže k testovacímu bodu příslušných testovacích signálů.

MOSFET hradlový řídící odpor:

① R1 a R2 jsou hradlové řídící odpory MOSFETu, které mají významný vliv na nárůstové a sestupné hrany výkonového MOSFETu.

② Výběr R1, R2 je řízen výstupním proudem BUCK ovladače napájení (ovladač (rezistory PULL a PUSH), vstupní impedanci a nábojové charakteristiky výkonového MOSFET tranzistoru (vstupní kapacita CISS) komplexními důvody ovlivňujícími počáteční návrh volby celkového součtu odporů ≤ 10 ohmů, ale také závisí na nábojových charakteristikách, potřebě konečného doladění a volby vhodné hodnoty odporu.

③ R1 a R2 jsou také nejdůležitějšími parametry pro spínací šum EMC, přičemž ovlivňují ztráty v jádrovém obvodu při spínání. V praxi je třeba najít rovnováhu mezi účinností (ohřevem MOSFET tranzistoru) a EMC, aby byl dosažen rovnovážný bod.

Poznámka: 6 testovacích bodů pro měření spínacích charakteristik a mrtvé doby.

Výkonová smyčka výstupu:

① Volba indukčnosti: Volba indukčnosti je založena na dvou hlavních faktorech:

-Proud při přechodném provozu: schopen výstupního pulzního proudu 21 (24) A (čas: 100 μs);

-Stacionární provozní proud: 10 A, schopen stabilně pracovat při proudovém zatížení 10 A (včetně podmínek okolní teploty 85 °C);

-Tranzientní provozní proud s dobou trvání ≤ 100 µs, který nastává v startovací fázi, stačí zajistit, aby induktor nesáturoval, aby byly splněny požadované podmínky (indukčnost musí odpovídajícím způsobem vyhovovat proudu).

② Výběr vzorkovacího rezistoru: použijte pro vzorkování rezistor R1206, tepelné výkony ≥ 0,5 W;

③ Výběr kondenzátorů: reference: kapitola o výstupních filtračních kondenzátorech ve výkladové části;

Zpětnovazební obvod:

LM25149 má konfiguraci s pevným výstupem a konfiguraci se zpětnou vazbou, podrobnosti naleznete v datovém listu;

① R14l připojen k VDDA, výstup 3,3 V

② R14=24,9 K, výstup 5,0 V

③ R14=49,9 K, výstup 12,0 V

Nepájet R14, výstupní napětí nakonfigurujte pomocí R9 a R10;

R19 a rezervované TP3, TP4: pro testování, fázová bezpečnostní mez, průsečná frekvence atd.

Poznámka: TP3 a TP4 se používají pro testování, fázovou bezpečnostní mez, průsečnou frekvenci atd.

Nastavení funkce:

① EN: Umožnit signál, ≥1,0 V zapne napájení, lze použít pro přesnou ochranu při podpětí;

② Sync-PG: Synchronní výstup nebo Power good (dobrý signál napájení), tento návrh se používá pro Power good;

③ PFM/SYNC

-Výchozí (NC) jumper: Diode analogue, výstup malého proudu, může pracovat s vysokou účinností;

-Zusmknutí jumperu na GND, vynucený režim CCM;

④ Nastavení provozního režimu čipu: celkem pět provozních režimů (viz specifikace)

2.4 BUCK napájecí zdroj - návrh desky plošných spojů

2.4.1 Napájení typu BUCK – návrh plošného spoje

① -HORNÍ

② -ZEM

③ -Signál

④ -DOLNÍ

2.4.2 Napájení typu BUCK – technologické aspekty návrhu plošného spoje

Smyčky vstupní a výstupní kapacitance:

① Minimální smyčka vstupní a výstupní kapacitance napájení typu BUCK má významný vliv na EMC;

② Kondenzátor C4 se primárně používá k potlačení špiček a šumu při spínacích hranách.

MOSFETy a indukční smyčky:

① Použití MOSFETů typu dva v jednom snižuje plochu uspořádání a snižuje náklady, nevýhodou je však, že SW uspořádání nemůže udržet minimální smyčku;

② Bod SW dvou-in-jednom MOSFET nelze realizovat zarovnání ve stejné vrstvě desky plošných spojů a je třeba změnit vrstvu pro pokrytí plochy, aby byla zajištěna kontinuita napájecího proudu.

Vzorkovací proud:

① Vzorkovací proud vyžaduje diferenciální zarovnání s referenční GND rovinou;

② Řízení impedance a stejná délka nejsou vyžadovány a zarovnání udržuje minimální rozteč uspořádání.

Zpětná vazba FB:

Rezistory a další součástky jsou blízko pinům řídicího čipu.

Chlazení a GND:

Součástky generující teplo: MOSFETY, cívky a vzorkovací rezistory, můžete vhodně zvětšit plochu roviny pro odvod tepla a zvýšení GND propustnosti může pomoci zlepšit chladicí podmínky celé verze.

3- Oblast řízeného BUCK napájení Level 1 - Shrnutí

3.1 3D výkres

3D obrázek-1

3D obrázek-2

3.2 Shrnutí návrhu

① Návrh spínaného napájecího zdroje využívá 4vrstvový design s tloušťkou desky plošných spojů 1,6 mm a rozměry 30x65 mm;

② Výstupní proud splňuje maximální dočasný proud Qualcomm SA8295 24 A, podporuje stálý výstup 10 A nebo více.

4- O aplikaci Codaca Elektronika

Codaca specializuje se na nezávislý výzkum, návrh a výrobu cívek, VSEB0660-1R0M je vhodný pro vývoj a aplikaci na platformě Qualcomm. Má technické výhody jako vysokou cenovou přiměřenost, vysokou odolnost proti nasycení proudu, nízké generování tepla a průmyslově vedoucí poměr výkonu k objemu. Codaca specializuje se na výzkum a vývoj technologií, technologicku inovace, vývoj vynikajících produktů pro induktorový průmysl, aby podpořila vývoj a aplikaci elektronických produktů.

5- Testování a ověření

Pro ověření následného testu, prosím, viz: 03-Rozluštění úrovně řídicího modulu napájení automobilové domény Qualcomm Level 1: Analýza měření výkonového testu (bude zveřejněno)

[Reference]

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

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