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Die rasante Entwicklung der neuen Energie-Fahrzeugindustrie hat ein explosionsartiges Wachstum in verschiedenen Industrieketten vorangetrieben. Fahrzeugintelligenz und autonomes Fahren sind zu den entscheidendsten Wettbewerbsrichtungen für neue Energiefahrzeuge geworden und bringen neue Herausforderungen und Chancen für hochintegrierte zentrale Steuergeräte und Domain-Controller, insbesondere hinsichtlich Zuverlässigkeit, hoher Leistungsdichte, EMV von Schaltnetzteilen, hoher Effizienz und hervorragender Kosten-Leistung von DC-DC-Schaltnetzteilen.
Qualcomm hat als Anbieter von intelligenten Cockpit-Domain-Controllern mit den Modellen SA8155 und SA8295 eine bedeutende Position. Die Konflikte zwischen dem Einschaltstrom, dem stabilen Betriebsstrom, der Standby-Stromeffizienz, den Kosten und dem EMV-Design der Schaltnetzteile (SMPS) bei der primären Stromversorgung des zentralen Domain-Controllers (Strom von der Batterieeingabe zur primären Umwandlung) stellen eine große Herausforderung für das BUCK-Schaltnetzteil-Design dar. Wie man diese Konflikte löst und ausbalanciert, ist die technische Richtung, in der Architektur der Schaltnetzteile, Leistungs-Chips, Drosseln, MOSFETs und Kondensatoren zusammenwirken.
Dieser Artikel verbindet das Design der primären Stromversorgung des zentralen Domänencontrollers für Automobilanwendungen mit großem dynamischen Schaltnetzteilstrom (100–300 %) und untersucht das Design von DC-DC-Schaltnetzteilen, einschließlich Stromversorgungslösungen sowie Methoden zur Auswahl von Drosseln und Kondensatoren. Er behandelt und implementiert ein praktisches Design unter Berücksichtigung der Herausforderungen bezüglich Baugröße, Kosten, Effizienz und Leistung.
Dieser Artikel verwendet Qualcomms SA8295-Domänencontroller als Beispiel, um das praktische Design der primären BUCK-Schaltnetzteile zu untersuchen und umzusetzen.
Diese Artikelreihe umfasst drei Teile (fortlaufend zu aktualisieren):
01- Entschlüsselung des Designs der ersten Stufe der Stromversorgung des Qualcomm-Automotiv-Domänencontrollers: Stromversorgungsdesign und Berechnung (dieses Kapitel)
1- Designziele und Herausforderungen
1.1 Anforderungen an den transienten Strom für SA8295
Tabelle 1: Stromversorgungsanforderungen für SA8295
1.2 SA8295 Standby-Stromanforderungen
Qualcomm SOC 3,3V Stromversorgung Standby-Leistungsaufnahme im Bereich von 4-7,5 mA (einschließlich Speicher-Selbstrückmeldung), unterstützt Standby-Aktivierung.
Zentrale Steuerung (Cabin Domain Controller) Gesamtstromverbrauch des Fahrzeugs 7-10 mA (13,5 V), 4G/5G-Modul verbraucht allein 4-5 mA, Qualcomm SA8295 aktueller Verbrauch bei 13,5 V 3 mA (40 mW) oder weniger.
1.3 Drei Herausforderungen
1.3.1 Herausforderung 1: Schaltspannungsversorgung Stromausgang beim Qualcomm Domain Controller SA8295
Großer transiente Strom, 3,3 V, 18 Ampere (0,1 ms), 0,1 ms ist bereits eine lange Zeitspanne für die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung im Dauerbetrieb, erfordert eine Abwärtswandlerschaltung, die für stabile 18-Ampere-Ausgabe ausgelegt ist.
1.3.2 Herausforderung 2: Dynamik der hochwertigen Schaltspannungsversorgung beim Domain Controller SA8295
Der stationäre Arbeitsstrom des SA8295-Domain-Controllers beträgt 5–9 Ampere, was zu einer stabilen Arbeitsstromdifferenz von über 300 % bei der Induktivität der Schaltnetzteile führt (die Induktivität ist umgekehrt proportional zum Nennstrom), was hinsichtlich Baugröße, Kosten und Frequenz zu erheblichen Konflikten führt.
1.3.3 Herausforderung 3: Mikroleistungswirkungsgrad der hochwertigen Schaltspannungsversorgung beim Domain Controller SA8295
Der Stromverbrauch im Standby-Modus mit einem Wirkungsgrad von 70 % bei 13,5 V und 3 mA stellt eine große Herausforderung für die Architektur der Spannungsversorgungsregelung und die Auswahl der Drossel dar.
Dieses Design basiert auf der Herausforderung des maximalen Primär-Buck-Spannungsversorgungsdesigns für SA8295 und untersucht die Kerndiffikultäten von Schaltnetzteilen und DC-DC-Technologielösungen.
2- Lösungsauswahlvergleich
2.1 Qualcomm SA8295 Domänensteuerung Stromversorgung technische Anforderungen
Wie in Tabelle 2 gezeigt:
Tabelle 2: Technische Spezifikationsanforderungen für das Qualcomm SA8295-Spannungsversorgungsdesign
2.2 Designvorschlag und technische Unterlagen
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 usw. können alle die Designanforderungen erfüllen. Für dieses Projekt wird LM25149-Q1 als Primärstromversorgungslösung für den zentralen Gehirnbereichs-Controller gewählt.
2.2.1 Offizielle LM25149-Q1 Adresse:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tabelle 3: LM25149-Q1 Designreferenzmaterialien
2.2.2 LM25149-Q1 Spezifikationsblatt:
2.2.3 LM25149-Q1 Entwicklungsboard:
LM25149-Q1 EVM Benutzerhandbuch (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 Aktiver Filter – Stabilität und Leistung:
So gewährleisten Sie Stabilität und Leistungsfähigkeit aktiver EMI-Filter (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 Design-Tools :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC Berechnungstool | TI.com
3- Synchrones Buck-Netzteil – Design und Berechnung
3.1 Haupttechnische Daten und Designparameter des LM25149
Tabelle 4: Technische Spezifikationsanforderungen für das Qualcomm SA8295-Spannungsversorgungsdesign
Effizienz
Aktive EMI-Filter
EMI-Prüfung
Referenzschaltbild
Evaluierungsboard für Referenzdesign-Lösung
3.2 LM25149 Synchroner BUCK-Induktorauswahl-Berechnung
3.2.1 Formel für die Berechnung der synchronen BUCK-Schaltstromversorgung:
Tabelle 5: Formeln zur Berechnung der synchronen BUCK-Stromversorgung
3.3 Berechnung der minimalen Induktivität
(Berechnungsformel, siehe Tabelle 5.)
Tabelle 6: Diagramm zur Berechnung der Mindestinduktivität (∆I=0,3)
Tabelle 7: Berechnung der minimalen Induktivität
3.3.1 Zusammenfassung der Daten zur Induktivitätsberechnung:
① Wenn das Design den Bereich von 6–20 A (AI=0,3-Berechnung) abdeckt, bei einer Eingangsspannung von 16 V und einem Ausgangsstrom von 6 A, sollte die Induktivität ≥0,69 μH betragen.
② Theoretische Berechnung der Spuleninduktivität Lmin: ≥ 0,69μH (theoretisch);
③ Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Designauswahl und der Induktortoleranz von ±20 % werden 0,82 μH und 1,0 μH als optimale Auslegung gewählt (eine Erhöhung der Induktivität führt zu größerer Baugröße, höheren Kosten und verringert die SRF).
3.4 Berechnung des Induktorstroms
(Formel: siehe Tabellen 5, Punkte 1 und 2)
Tabelle 8: Berechnung des Induktionsstroms bei 0,82μH
Tabelle 9: Berechnung des Induktionsstroms bei 1,0μH
3.4.1 Theoretisch berechneter Sättigungsstrom der Induktivität ≥ 20,76 A, aufgerundet auf 21 A:
Tabelle 10: Induktivitätsspezifikationen
4- Auswahl der Drossel für Schaltnetzteile
Tabelle 11: Auswahl der Induktivität
4.1 Berechnung des Strommesswiderstands für Schaltnetzteil mit LM25149
Tabelle 12: Theoretische Berechnung des Strommesswiderstands
Tabelle 13: Auswahl des Strommesswiderstands
4.2 Berechnung des Ausgangskondensators für synchrones BUCK-Schaltnetzteil
(Berechnung des Ausgangskondensators: Siehe Gleichung in Tabelle 5)
Tabelle 14: Berechnung des Ausgangskondensators für synchrones BUCK-Schaltnetzteil
Bei synchronen Abwärtswandlern gibt es einen Kompromiss zwischen der Leistung, der Größe und den Kosten der Eingangs- und Ausgangsfilterkondensatoren. Die Prüfung von Kondensatorspezifikationen erfolgt unter bestimmten Bedingungen, und Unterschiede in der Messtechnik können bei identischen Spezifikationen Abweichungen von 10–50 % verursachen. Die endgültige Designleistung erfordert eine wissenschaftliche Validierung und Überprüfung durch den Debugging-Prozess (es gibt keine einzige optimale Lösung; lediglich die Auswahl eines für die jeweilige Anwendung geeigneten Konzepts).
Schaltkondensatoren müssen folgende Anforderungen erfüllen: Kapazität ≥ 320 µF (Anforderung an die Überschwinger), keramische Kondensatorkapazität größer als 2,435 µF (keine Kernbedingung, Erfüllung der Anforderung ist ausreichend).
Tabelle 15: Empfohlene Auswahl von Ausgangsfilterkondensatormodellen für Schaltnetzteile
Tabelle 16: Auslegung von Ausgangsfilterkondensatoren für Schaltnetzteile
4.3 Berechnung des Eingangskondensators für LM25149 Stromversorgungsmodul
4.3.1 Eingangskapazitätsberechnungen
Tabelle 17: Berechnung des Eingangsfilterkondensators für Schaltnetzteile
Tabelle 18: Auswahl der Ausgangsfilter für Schaltnetzteile
4.4 LM25149 Mosfet-Auswahlberechnung
4.4.1 MOSFET-Berechnung
Im Datenblatt des LM25149 sind nur wenige Berechnungen und Auswahlkriterien enthalten. QG-Berechnungen und -Auswahlen basieren auf empirischen Schätzungen und umgekehrten Schlussfolgerungen. Die Berechnungsergebnisse zeigen einen Wert von 4,5–5,0 V Vgs und ≤22 nC an. Der Berechnungsprozess ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Die Miller-Plattform wird mit 2–3 V gewählt (auch nahe bei 3 V ist akzeptabel), und Rdson wird mit ≤8 mΩ festgelegt.
Tabelle 19: Mosfet-Auswahl und -Berechnungen
4.5 Empfehlungen zur Mosfet-Auswahl
Tabelle 20: Modelle zur Mosfet-Auswahl
4.6 LM25149 FB- und Kompensationsberechnungen
Tabelle 21: FB- und Kompensationsberechnungen
4.7 LM25149 EMC-Design-Berechnung
Ohne zu detaillierte Analysen vorzunehmen, siehe Spezifikationen.
5- Designzusammenfassung
5.1 Zusammenfassung des LM25149 BUCK-Netzteil-Designs und der Bauteilauswahl
Tabelle 22: Design und Auswahl
5.2 Zusammenfassung der Lösung
Die Leistung und Effizienz von synchronen Schaltnetzteilen werden von vielen Faktoren beeinflusst. Leistungsmerkmale und Spezifikationen müssen praktische Aspekte berücksichtigen. Dieses Kapitel dient theoretischen Berechnungen, um eine theoretische Grundlage für die praktische Konstruktion bereitzustellen. Die Leistungsmerkmale und Spezifikationen der Konstruktion hängen eng mit der Komponentenleistung, den Einsatzbedingungen, der Bauteilplatzierung usw. zusammen und erfordern eine sorgfältige Prüfung und Verifizierung.
Die synchronen Abwärtswandler-Stromversorgungsdesigns für Qualcomm-Domain-Controller stellen einen anspruchsvollen Bereich im Controller-Design dar, bei dem eine Balance zwischen Leistung, Größe und Kosten erforderlich ist. CODACA konzentriert sich auf unabhängige Forschung und Entwicklung sowie das Design von Leistungsinduktivitäten und Common-Mode-Drosseln. Die CSEB0660-1R0M eignet sich für die Entwicklung und Anwendungen auf Qualcomm-Plattformen und bietet eine hohe Kosteneffizienz, starke Widerstandsfähigkeit gegen Sättigungsstrom, geringe Wärmeentwicklung sowie ein branchenführendes Leistungs-zu-Volumen-Verhältnis. CODACA engagiert sich in technologischer Forschung und Innovation, um hervorragende Produkte für die Induktivitätenindustrie zu entwickeln und zur Weiterentwicklung und Anwendung elektronischer Produkte beizutragen.