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

Rychlý vývoj průmyslu vozidel s novými zdroji energie podpořil explozivní růst různých průmyslových řetězců, přičemž inteligentní řízení vozidel a autonomní jízda se staly nejdůležitějším směrem klíčové konkurenční výhody u vozidel s novými zdroji energie, což přináší nové výzvy a příležitosti pro vysoce integrovaný centrální mozek a řídicí jednotky domény, zejména pokud jde o spolehlivost, vysokou hustotu výkonu, EMC, vysokou účinnost a nákladovou efektivitu spínaných zdrojů DC-DC.

Jako dodavatel inteligentních řídicích jednotek pro kokpity mají SA8155 a SA8295 důležité postavení, a protichůství mezi přechodným proudem, stabilním provozním proudem, účinností v pohotovostním režimu, náklady a návrhem EMC spínaného zdroje primárního napájení centrální doménové řídicí SOC (napájení převedené z bateriového vstupu první úrovně) se stalo obrovskou výzvou pro návrh BUCK napájecího zdroje. Jak tyto rozporů vyřešit a vyvážit je technickým směrem, na kterém společně pracují výrobci architektur spínaných zdrojů, napájecích čipů, cívek, MOSFETů a kondenzátorů.

Tento článek pojednává o návrhu spínaného zdroje DC-DC pro primární napájení centrální doménové kontroly velkého dynamického spínaného zdroje (100–300 %), včetně schématu napájení, výběru cívky a kondenzátoru a dalších metod návrhu s ohledem na rozměry, náklady, účinnost a výkonové výzvy.

Tato kapitola na příkladu doménového regulátoru Qualcomm SA8295 rozebírá a uvádí praktický návrh prvního stupně BUCK spínaného zdroje.

Pro pochopení této kapitoly je nutné prostudovat první sérii (podrobná teorie a výpočty BUCK spínaného zdroje) a podrobně navrhnout BUCK zdroj na základě LM25149.

Tato série článků se skládá ze tří sérií (s průběžnými aktualizacemi):

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

02 – Dešifrování návrhu prvního stupně napájení automobilového doménového regulátoru Qualcomm: Návrh schématu a návrh desky plošných spojů (tato kapitola)

03-Rozklíčování návrhu prvního stupně napájecího obvodu automobilové doménové řídicí jednotky Qualcomm: analýza měření výkonu

1- Cíle a výzvy návrhu

1.1 Požadavky na přechodný proud SA8295

Tabulka 1: Požadavky na návrh napájení SA8295

Poznámka: Nejnovější požadavky na návrh SA8295 jsou 21 A (1 NPU) a 24 A (2 NPUs), a tento návrh může pokrýt (30 A ochranu proti přetížení)

1.2 Cíle návrhu

Tento návrh využívá Řešení LM25149 pro napájení první třídy doménového řadiče , které splňuje požadavky na přechodný proud 24 A (100 μs) a vyhovuje pracovním podmínkám ustáleného provozu nad 10 A, čímž dosahuje komplexní rovnováhy mezi objemem, náklady a výkonem.

Poznámka: Přechodný proud nezpůsobuje problém s generováním tepla (pro Qualcomm SA8295 pouze 100 μs přechodný proud), ustálený velký proud způsobí zvýšení teploty, účinek teplotního vzestupu je nutné změřit (návrhové řešení se volí podle skutečných provozních podmínek).

2 - Schéma a návrh plošného spoje

2.1 Výběr klíčových komponent

Kritéria pro výběr součástek primárního napájecího zdroje řídicí jednotky: nejprve výkon, s ohledem na náklady a minimalizaci plochy desky plošných spojů; Vzhledem k problémům EMC a proudové smyčky spínaného zdroje BUCK odpovídá obecné teorii a pravidlům návrhu spínaných zdrojů BUCK, lze se inspirovat obecnou metodikou návrhu.

Podrobnosti o výběru a výpočtu elektronických součástek naleznete v kapitole 1 ( Dekódování návrhu prvního stupně napájení řídicí jednotky Qualcomm Automotive: Návrh a výpočet napájení )

Možnost 2 pro tento návrh (použití osmi keramických kondenzátorů 47uF v pouzdře C1210). Návrh není omezen na tento výběr, konstrukce produktu může být upravena podle aktuální situace a optimalizována na základě výsledků skutečných testů.

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 je model: VSEB0660-1R0MV

Tabulka 4: Výběr cívky

2.1.3 Výběr výstupního filtračního kondenzátoru pro BUCK napájecí zdroj

Tabulka 5: Výběr výstupního filtračního kondenzátoru pro BUCK napájecí zdroj

2.1.4 BUCK napájecí zdroj - výběr vstupních filtracích kondenzátorů

Tabulka 6: BUCK napájecí zdroj – výběr vstupních filtracích kondenzátorů

2.2 Návrh schémat a návrh desky plošných spojů

2.2.1 Schéma a návrh desky plošných spojů: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)

Obrázek 1 Úvod do Caritron EDA

JLC Technology EDA je vedoucí bezplatný vývojový nástroj EDA v Číně s vyspělými funkcemi a vysokou vývojovou efektivitou; tento návrh využívá schématický diagram a DPS navržené v JLC Technology EDA.

2.3 Napájení typu BUCK – návrh schématu

2.3.1 Napájení typu BUCK – návrh schématu

Návrh principu vychází z technické specifikace LM25149-Q1 a oficiální vývojové desky, přičemž splňuje základní teorii BUCK spínaného napájecího zdroje a návrhové požadavky primárního napájení řídicích jednotek vyšší úrovně.

Obrázek 2 Schéma zapojení LM25149

2.3.2 BUCK napájecí zdroj - klíčová technologie ve schématickém návrhu

Vstupní EMC obvod:

Technické body:

① Hlavní funkcí L1 je snížit vliv vedeného vyzařovaného šumu ze spínaného zdroje na vstupní napájení. Spínací frekvence spínaného zdroje je 2,2 MHz, L1 a C23 tvoří LC filtr (C16 je elektrolytický kondenzátor, hlavně pro nízké frekvence pod 500 kHz) a na frekvenci 2,2 MHz dochází ke snížení o 60 dB.

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

③ Pokud se C21 a C23 používají ve zdrojích první třídy (před ochranou), je nutné zvolit model kondenzátoru s flexibilními svorkami. Pokud je obvod chráněn, lze zvolit automobilový kondenzátor. Podobný ochranný mechanismus lze rovněž realizovat sériovým zapojením dvou kondenzátorů.

Stejné požadavky se vyžadují pro výkonové MOSFETy a vstupní kondenzátory LM25149, odrušovací kondenzátory, toto zapojení se nepoužívá pro ověření výkonu, použitím jediného keramického kondenzátoru, návrh na úrovni produktu splňuje požadavky automobilové třídy.

Poznámka: Aktivní kompenzace EMC a technologie dvojitého náhodného rozptylu spektra u LM25419 pouze do určité míry snižují amplitudu EMC, EMC však nelze úplně eliminovat, u spínací frekvence 2,2 MHz související energie, aplikace s vysokým proudem (≥10 A) stále nese riziko překročení normy, rozhodující je skutečná úprava ladění, pokud lze po odstranění C23 stále dosáhnout souladu s vodivým zářením, lze ušetřit na použití C23 a snížit náklady.

Vstupní kondenzátory BUCK napájení:

① C2, C3 jsou kondenzátory vstupního napájení BUCK, které jsou rozhodující pro výkon EMC spínaného zdroje. U kondenzátorů 10 µF vyberte impedanci kolem 2 MHz ≤5 mΩ. Kondenzátory CGA4J1X8L1A106K125AC a CGA6P1X7S1A476M250AC mají dobré technické parametry k použití jako reference. Při výběru kondenzátoru lze volit typ X7R, odolnost proti napětí 35 V/50 V, pouzdra C1210 a C1206 jsou dostupná. V tomto návrhu je zvoleno pouzdro C1210, což umožňuje širokou škálu ověření výkonu modelu.

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

C2, C3, C4 – při rozložení (layoutu) je třeba věnovat pozornost smyčce proudu (viz podrobnosti v části Layout), splňte základní požadavky na kapacitu vstupního kondenzátoru BUCK a návrhovou teorii. Pro hlubší pochopení vstupního kondenzátoru si můžete prostudovat teorii BUCK spínaných zdrojů.

③ TP7, TP9, TP13 se používají k testování signálů TG, BG a SW spínače a slouží k ověření rozumnosti doby mrtvé zóny, kmitání a vlastností náběžného a sešikmého hranu MOSFETu, což je důležitým elektrickým parametrem testu spínaného zdroje.

Testovací bod TP GND se používá ke snížení smyčky uzemnění osciloskopu a ke zlepšení přesnosti měření, přičemž při návrhu uspořádání (LAYOUT) je třeba zvážit umístění testovacího bodu co nejblíže k příslušnému testovanému signálu.

MOSFET hradlový řídící odpor:

① R1 a R2 jsou rezistory řízení brány MOSFETu, které mají významný vliv na náběžné a sešikmé hrany výkonového MOSFETu.

② Výběr R1 a R2 je ovlivněn kombinací důvodů týkajících se řízeného výstupního proudu BUCK napájecího regulátoru (řídicí jednotka (pull a push odpor), vstupní impedanci a nábojovými charakteristikami výkonového MOSFET tranzistoru (vstupní kapacita CISS) a celkový odpor celého obvodu je v počátečním návrhu volen ≤ 10 ohmů, což závisí také na nábojových charakteristikách a vyžaduje doladění pro výběr vhodné hodnoty odporu.

③ R1 a R2 jsou rovněž klíčové parametry, které nejvíce ovlivňují spínací šum EMC a hlavní obvodové faktory působící ztrátám při spínání.

Poznámka: pro testování spínacích charakteristik a mrtvé doby se používá 6 testovacích bodů.

Výkonová smyčka výstupu:

① Výběr cívky: Při výběru cívky se hlavně bere v úvahu dva faktory:

- Přechodný pracovní proud: Schopnost krátkodobě dodat 24 A (doba: 100 μs);

- Stacionární pracovní proud: 10 A, schopnost stabilní práce při proudu 10 A (včetně podmínek okolní teploty 85 °C);

-Trvání přechodného provozního proudu je ≤ 100 μs a vyskytuje se během fáze spuštění, a pouze za podmínky, že indukčnost není nasycená, lze splnit požadavky (splnění hodnoty indukčnosti proudu).

② Výběr měřicího rezistoru: Měřicí rezistor je vybrán v pouzdře R1206 a jeho výkon chlazení ≥ 0,5 W;

③ Výběr kondenzátorů: Reference: kapitola výstupního filtračního kondenzátoru v první části kapitoly;

Zpětnovazební obvod:

LM25149 má pevnou výstupní konfiguraci a zpětnovazební výstupní konfiguraci, podrobný obsah viz technická dokumentace;

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

Výstupní napětí je nastaveno pomocí R14, R9 a R10 na prázdném nálepce;

R19 a vyhrazené TP3, TP4: pro testování, fázovou rezervu, přechodovou frekvenci atd.

Poznámka: TP3 a TP4 slouží k testování fázové rezervy, přechodové frekvence atd.

Nastavení funkcí:

① EN: povolovací signál, zapnutí napájení ≥ 1,0 V, lze chránit přesným podpětím;

② Sync-PG: Synchronní výstup nebo Power good, tento návrh je určen pro Power Good;

③ PFM/SYNC

-Výchozí (NC) jumper: analogová dioda, malý výstupní proud, může pracovat s vysokou účinností;

-Zkratový jumper na GND, vynucený režim CCM;

④ Nastavení pracovního režimu čipu: celkem 5 pracovních režimů (viz technická dokumentace).

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 BUCK napájení – klíčová technologie pro návrh desky plošných spojů

Smyčky vstupních a výstupních kondenzátorů:

① Vstupní a výstupní kondenzátory BUCK napájení musí tvořit minimální smyčku, což má významný vliv na EMC;

② C4 slouží hlavně k potlačení kmitání šumu na náběžných a sestupných hranách spínače.

MOSFETy a smyčky cívky:

① Použití dvouv jednom čipu MOSFETů snižuje plochu a náklady uspořádání, nevýhodou je, že layout SW nemůže tvořit minimální smyčku;

② SW bod 2-v-1 MOSFETu nemůže být realizován ve stejné vrstvě DPS pro sledovatelnost spoje, je nutné změnit vrstvu pro zajištění nepřetržitého proudu.

Vzorkovací proud:

① Měřicí proud musí být diferenciální vedení a musí existovat referenční rovina GND;

② Není nutné řídit impedanci a shodnou délku, vedení udržují minimální rozteč podle uspořádání.

Zpětná vazba FB:

Rezistory a další součástky jsou blízko pinům řídicího čipu.

Chlazení a GND:

Tepelná zařízení: MOSFETy, tlumivky a měřicí rezistory mohou vhodně zvýšit tepelnou vodivost v plošných oblastech, zvýšení počtu přechodových děr do GND pomáhá zlepšit podmínky chlazení celé desky.

návrh napájení BUCK první třídy s řízením domény - shrnutí

3.1 3D výkres

3D obrázek-1

3D obrázek-2

3.2 Shrnutí návrhu

① Návrh spínaného zdroje používá 4vrstvé provedení, tloušťka desky 1,6 mm, rozměr 30x65 mm;

② Výstupní proud splňuje maximální přechodný proud Qualcommu SA8295 o velikosti 24 A a podporuje stálý výstupní výkon nad 10 A.

4- O aplikaci Codaca Elektronika

Codaca se zaměřuje na nezávislý vývoj, návrh a výrobu cívek, a model VSEB0660-1R0M je vhodný pro vývoj a aplikaci platforem Qualcomm. Má technické výhody, jako je vysoký poměr cena/výkon, silná odolnost proti nasycení proudu, nízké zahřívání a průmyslově vedoucí poměr výkonu k objemu. Codaca se zaměřuje na výzkum a vývoj technologií, technologickou inovaci, vytváření vynikajících produktů pro odvětví cívek a přispívá k rozvoji a aplikaci elektronických produktů.

5- Testování a ověření

Pro následné testování a ověření, viz: 03- Rozklíčování návrhu prvního stupně napájecího obvodu automobilové doménové řídicí jednotky Qualcomm: analýza měření výkonu .

[Reference]

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

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