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Die schnelle Entwicklung der Industrie für erneuerbare Energien hat das explosionsartige Wachstum jeder Industriekette vorangetrieben. Automobilintelligenz, autonomes Fahren ist zur wichtigsten Kernwettbewerbsfähigkeit von Fahrzeugen in Richtung erneuerbare Energien geworden. Das hochintegrierte zentrale Steuergehirn und die Domain-Controller bringen neue Herausforderungen und Chancen mit sich, insbesondere bei der Zuverlässigkeit von DC-DC-Schaltstromversorgungen, hoher Leistungsdichte, Schaltstromversorgungs-EMC, Effizienz sowie Kosteneffektivität ergeben sich neue Möglichkeiten und Herausforderungen.
Qualcomm als Lieferant des intelligenten Cockpit-Domain-Controllers, SA8155 und SA8295, nimmt eine wichtige Position ein. Der zentrale Domain-Control-SOC Level 1 Stromversorgung (aus der Batterieeingangs-Stromquelle umgewandelte Level 1 Stromquelle) transiente Stromstärke, stabile Arbeitsstromstärke, Standby-Arbeitseffizienz, Kosten, die Widersprüche im Schaltnetzteil-EMC-Design sind zu einer großen Herausforderung für das BUCK-Stromversorgungsdesign geworden. Wie man diese Widersprüche löst und ausbalanciert, ist die technische Richtung für Schaltnetzteilarchitektur, Stromversorgungschip, Induktivität, Mosfet, Kondensator gemeinsam.
Dieses Papier kombiniert die große dynamische Schaltstromversorgung (100-300%) Automotive-Zentraldomänensteuerung Stufe 1 Stromversorgungsdesign, um das Design der Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltstromversorgung zu untersuchen, einschließlich Stromversorgungskonzept, Induktivitäts-, Kondensatorauswahl und andere Designmethoden; unter Berücksichtigung des Volumens, der Kosten, der Effizienz, der Leistungsherausforderungen zur Erforschung und praktischen Umsetzung des Designs.
Dieser Artikel untersucht und realisiert das reale Design einer einstufigen BUCK-Schaltnetzteil unter Verwendung des Qualcomm SA8295 Domain Controllers als Beispiel.
Diese Artikelreihe enthält drei Serien (in Zukunft wird es kontinuierliche Updates geben):
01- Entschlüsselung des qualitativ hochwertigen Automotive-Domain-Controller-Level-1-Stromversorgungsdesigns von Qualcomm: Stromversorgungsdesign und Berechnung (dieses Kapitel)
02- Aufklärung des Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Stromversorgungsdesigns: Schaltplan-Design und Leiterplattendesign
03- Analyse des Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Stromversorgungsdesigns: Leistungstest-Messanalyse
1- Designziele und Herausforderungen
1.1 SA8295 Transiente Stromanforderungen
Tabelle 1: SA8295 Stromversorgungsdesign-Anforderungen
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.
Zentrales Gehirn (Cockpit-Domain-Controller) Gesamtstrombudget des gesamten Fahrzeugs 7-10 mA (13,5 V), 4G/5G-Modul allein verbraucht 4-5 mA, Qualcomm SA8295 Strom 13,5 V innerhalb von 3 mA (40 mW).
1.3 Drei Herausforderungen
1.3.1 Qualcomm Domain Control SA8295 Schaltregler Stromausgang Herausforderung 1:
Hoher transienter Strom, 3,3 V, 18 Ampere (0,1 ms), 0,1 ms gehören bereits zur langen Perioden-Steady-State-Ausgabe für DC-DC-Schaltnetzteile an. Es wird eine Buck-Schaltnetzteil-Lösung gemäß der stabilen Auslegung mit 18 Ampere benötigt.
1.3.2 Qualcomm Domain-Control SA8295 Schaltnetzteil Hochstrom-Dynamik-Herausforderungen 2:
SA8295 Domain-Control Dauerbetriebsstrom liegt bei 5–9 Ampere, was dazu führt, dass die Induktivität des Schaltnetzteils (Induktivität und Stromstärke sind umgekehrt proportional) bei Auswahl einer stabilen Betriebsstromstärke von mehr als 300 % Differenz deutliche Unterschiede in Größe, Kosten und Frequenz aufweist – eine größere Herausforderung hinsichtlich Widersprüchen.
1.3.3 Qualcomm Domain-Control SA8295 Schaltnetzteil Mikroleistungs-Wirkungsgrad-Herausforderungen 3:
Standby-Leistungsaufnahme, Erfordert eine Verbrauchseffizienz von 13,5 V, 3 mA bei 70 %, ist die Architektur des Leistungsreglers sowie die Induktorauswahl und -konstruktion ebenfalls eine große Herausforderung.
Dieses Design basiert auf dem Design der anspruchsvollen einstufigen SA8295-Buck-Stromversorgung, um die Kernprobleme der Schaltstromversorgung und DC-DC-Technologielösungen zu ergründen.
2- Vergleich der Programmauswahl
2.1 Qualcomm SA8295 Domänensteuerung Stromversorgung technische Anforderungen
Wie in Tabelle 2 gezeigt:
Tabelle 2: Qualcomm SA8295 Stromversorgungs-Design-Spezifikationsanforderungen
2.2 Programmdesign und technische Informationen
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 und LM25149-Q1 können die Designanforderungen erfüllen. In diesem Design wird LM25149-Q1 als einstufige Stromversorgungslösung für diesen zentralen Brain-Domain-Controller ausgewählt.
2.2.1 LM25149-Q1 offizielle Adresse:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tabelle 3: LM25149-Q1 Designreferenzen
2.2.2 LM25149-Q1 Datenblatt:
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: Qualcomm SA8295 Stromversorgungs-Designspezifikationen Anforderungen
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: Gleichungen zur Berechnung der synchronen BUCK-Stromversorgung
3.4 Berechnung der minimalen Induktivität
(Für Formeln siehe Tabelle 5.)
Tabelle 6: Berechneter Graph der minimalen Induktivität (∆I=0,3)
Tabelle 7: Berechnung der minimalen Induktivität
3.4.1 Zusammenfassung der Daten zur Induktivitätsberechnung:
① Wenn das Design den Bereich von 6-20A (AI=0,3-Berechnung) abdeckt, 16V Eingang, 6A Ausgang, Induktivität ≥ 0,69μH.
② Theoretische Berechnung der Spuleninduktivität Lmin: ≥ 0,69μH (theoretisch);
③ Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Designauswahl und der Induktivitätsabweichung von ±20% werden 0,82μH und 1,0μH als optimales Design ausgewählt (Induktivitätswert erhöht sich, Volumen der Induktivität erhöht sich, Kosten erhöhen sich, SRF verringert sich).
3.5 Berechnungen zum Induktionsstrom
(Formel: siehe Tabelle 5, Tabellen 1 und 2)
Tabelle 8: Berechnung des Induktionsstroms bei 0,82μH
Tabelle 9: Berechnung des Induktionsstroms bei 1,0μH
3.5.1 Theoretisch berechneter Sättigungsstrom der Induktivität ≥ 20,76A, aufgerundet auf 21A:
Tabelle 10: Induktivitätskennzeiger
4- Auswahl der Schaltungsinduktivität für die Schaltnetzteilversorgung
Tabelle 11: Auswahl der Induktivität
4.1 LM25149 Schaltwiderstands-Berechnung für Stromabtastung der Schaltnetzteil-Induktivität
Tabelle 12: Theoretische Berechnung des Schaltwiderstands für die Induktivitätsstromabtastung
Tabelle 13: Auswahl des induktiven Abtastwiderstands
4.2 Synchroner BUCK-Schaltwandlern Ausgangskapazitätsberechnung
(Berechnung der Ausgangskapazität: siehe Formel in Tabelle 5)
Tabelle 14: Synchroner BUCK-Schaltwandler-Ausgangskapazitätsberechnung
Bei der Auslegung von synchronen BUCK-Schaltnetzteilen bestehen Widersprüche hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Volumen und Kosten der Eingangs- und Ausgangsfilterkondensatoren. Die Kapazitätsspezifikationen werden unter spezifischen Bedingungen getestet. Unterschiede in den Messgeräten während des Testprozesses können dazu führen, dass bei identischen Kennwerten Abweichungen von 10–50 % entstehen. Die endgültige Designleistung muss im Debugging-Prozess durch wissenschaftliche Praxis und Tests verifiziert werden (es gibt keine optimale Lösung für das Design, sondern nur die Auswahl einer geeigneten Variante für das jeweilige Szenario).
Schaltkondensatoren müssen folgende Anforderungen erfüllen: Kapazität ≥ 320 μF (Überschwingverhalten), keramische Kondensatorkapazität größer als 2,435 μF (nicht zentrale Bedingung, kann aber erfüllt werden)
Tabelle 15: Empfohlene Modellauswahl für Ausgangsfilterkondensatoren von Schaltnetzteilen
Tabelle 16: Auslegung der Ausgangsfilterkondensatoren für Schaltnetzteile
4.3 LM25149 Stromversorgung – Berechnung der Eingangskapazität
4.3.1 Eingangskapazitätsberechnungen
Tabelle 17: Schaltnetzteil-Eingangsfilter-Kapazitätsberechnungen
Tabelle 18: Auswahl des Ausgangsfilters für das Schaltnetzteil
4.4 LM25149 Mosfet-Auswahlberechnung
4.4.1 Mosfet-Berechnungen
Im Datenblatt des LM25149 sind nicht allzu viele Berechnungen und Auswahlberechnungen enthalten, QG-Berechnungen und Auswahl basierend auf empirischen Schätzungen rückwärts. Die Berechnungsergebnisse wählen 4,5–5,0 V Vgs, ≤ 22 nC. Der Berechnungsprozess bezieht sich auf die folgende Tabelle. Wählen Sie die Miller-Plateauphase für 2–3 V (auch akzeptabel in der Nähe von 3 V). Rdson auswählen ≤ 8 mΩ.
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-Designberechnungen
Ohne Überanalyse, siehe Spezifikation.
5- Designzusammenfassung
5.1 LM25149BUCK Stromversorgungs-Designauswahl-Zusammenfassung
Tabelle 22: Design und Auswahl
5.2 Programmzusammenfassung
Die Leistung und Effizienz von synchronen Schaltstromversorgungen wird von vielen Faktoren beeinflusst. Bei der Bewertung von Leistungsmerkmalen und Kennzahlen müssen tatsächliche Einflussfaktoren berücksichtigt werden. Dieses Kapitel dient theoretischen Berechnungen und gibt eine theoretische Anleitung für das reale Design. Die Leistungsmerkmale und Kennzahlen des Designs hängen eng von den Eigenschaften der verwendeten Bauelemente, den Einsatzbedingungen, dem Layout usw. ab und erfordern daher sorgfältige Tests und Verifikation.
Die synchronen Buck-Netzteil-Designs für Hochleistungs-Domänen-Controller gehören zu einem schwierigen technischen Bereich der Controller-Design-Technologie, bei dem Leistung, Volumen und Kosten in Einklang gebracht werden müssen. Kodak Ka beschäftigt sich intensiv mit der eigenständigen Forschung und Entwicklung von Induktoren. Der CSEB0660-1R0M ist für die Entwicklung und Anwendung auf der Hochleistungsplattform geeignet und verfügt über zahlreiche technische Vorteile wie ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis, eine starke Sättigungsstrom-Belastbarkeit sowie geringe Wärmeentwicklung. Zudem weist er ein industrieführendes Leistungs-zu-Volumen-Verhältnis auf. Kodak Ka konzentriert sich auf Technologieforschung und -innovation und entwickelt exzellente Produkte für die Induktorenbranche, um die Entwicklung und Anwendung elektronischer Produkte voranzutreiben.