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Die schnelle Entwicklung der Industrie für neue Energiefahrzeuge hat das explosionsartige Wachstum jeder Industriekette vorangetrieben. Automobilintelligenz und autonomes Fahren sind zu den wichtigsten Kernwettbewerbsfähigkeiten der Entwicklungsrichtung von Fahrzeugen mit neuer Energie geworden. Dies bringt für hochintegrierte zentrale Steuergeräte und Domain-Controller neue Herausforderungen und Chancen, insbesondere im Hinblick auf die Zuverlässigkeit von DC-DC-Schaltnetzteilen, hohe Leistungsdichte, Schaltnetzteil-EMC, hohe Effizienz sowie Kosteneffektivität.
Qualcomm als Lieferant des intelligenten Cockpit-Domain-Controllers, SA8155 und SA8295, nimmt eine wichtige Stellung ein. Die Stromversorgung der zentralen Domain-Control-SOC-Stufe 1 (aus der Batterieeingangs-Stufe 1 umgewandelte Stromversorgung), transienter Strom, stabiler Arbeitsstrom, Standby-Wirkungsgrad, Kosten sowie der Widerspruch im Schaltnetzteil-EMC-Design sind zu einer großen Herausforderung für das BUCK-Stromversorgungsdesign geworden. Wie man diese Widersprüche löst und ausbalanciert, ist die gemeinsame technologische Richtung von Schaltungsarchitektur, Stromversorgungs-Chips, Induktivitäten, Mosfets und Kondensatorherstellern.
In diesem Beitrag wird die Auslegung einer DC-DC-Schaltungsstromversorgung für eine Automotive Central Domain Control Level 1 Stromversorgung mit großem dynamischen Schaltstrom (100–300 %) untersucht, einschließlich der Stromversorgungslösung sowie der Auswahl von Induktivitäten, Kondensatoren und anderen Designmethoden. Dabei werden Herausforderungen hinsichtlich Volumen, Kosten, Effizienz und Leistungsfähigkeit berücksichtigt und praktische Umsetzungsmöglichkeiten analysiert.
Am Beispiel des Qualcomm SA8295 Domain Controllers diskutiert dieses Kapitel die Implementierung eines realitätsnahen Designs einer primären BUCK-Schaltstromversorgung.
Für dieses Kapitel wird ein gründliches Verständnis des ersten Teils der Serie vorausgesetzt (in dem Theorie und Berechnung der BUCK-Schaltstromversorgung im Detail erläutert werden), um anschließend eine detaillierte BUCK-Stromversorgung basierend auf dem LM25149 auszulegen.
Diese Artikelserie umfasst drei Teile (weitere Fortsetzungen folgen):
01. Dezember – Entschlüsselung des qualitativ hochwertigen Automotive Domain Controller Level 1 Power Design: Stromversorgungsdesign und Berechnung (veröffentlicht)
02-Entschlüsselung des Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Stromversorgungsdesigns: Schaltplan-Design und Leiterplatten-Design (dieses Kapitel )
03-Entschlüsselung des Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Stromversorgungsdesigns: Leistungstest-Messanalyse (wird veröffentlicht)
1- Designziele und Herausforderungen
1.1 SA8295 Transiente Stromanforderungen
Tabelle 1: SA8295 Stromversorgungsdesign-Anforderungen
Hinweis: Das neueste SA8295-Design erfordert 21A (1 NPU) und 24A (2 NPUs), was dieses Design abdeckt (30A Überstromschutz)
1.2 Designziele
Dieses Design verwendet das LM25149, um die Hauptstromversorgung für den Domain-Controller zu entwerfen , in der Lage, einen transienten Strom von 24 A (100 µs) zu unterstützen und die Anforderung des stationären Betriebs mit über 10 A zu erfüllen, wodurch ein ausgewogener Kompromiss zwischen Größe, Kosten und Leistung erreicht wird.
Hinweis: Transienter Strom stellt kein thermisches Problem dar (für den Qualcomm SA8295 dauert der transiente Strom nur 100 µs). Allerdings kann ein hoher stationärer Strom zu einer erhöhten Temperaturerhöhung führen, sodass die Auswirkungen auf die thermische Leistung bewertet werden müssen (die Designlösung sollte basierend auf den tatsächlichen Umweltbedingungen ausgewählt werden).
2- Schaltplan und PCB-Design
2.1 Auswahl der Kernkomponenten
Auswahlkriterien für Komponenten der Schaltkreise in der Domänensteuerung: Priorität der Leistung, unter Berücksichtigung der Kosten und gleichzeitig Reduzierung der Leiterplattenfläche; EMC-Probleme und Stromkreisprobleme bei Abwärtswandlern berücksichtigen, im Einklang mit der allgemeinen Theorie und den Regeln zum Design von Abwärtswandlern, es kann auf allgemeine Entwurfsmethoden zurückgegriffen werden.
Siehe Kapitel 1 für Details zur Auswahl und Berechnung von elektronischen Komponenten (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)
Dieses Design wählt Option 2 (Verwendung von acht 47uF-Keramikkondensatoren im C1210-Gehäuse). Das Design ist nicht auf diese Auswahl beschränkt; das Produktdesign kann entsprechend der tatsächlichen Modellsituation angepasst und basierend auf den realen Testergebnissen optimiert werden.
Tabelle 2: BUCK-Netzteil - Schaltungsentwurf
2.1.1 BUCK-Netzteil - MOSFET-Auswahl
Tabelle 3: BUCK-Netzteil - MOSFET-Auswahl
2.1.2 BUCK-Netzteil - Induktorauswahl
Induktorauswahl mit der Modellnummer: VSEB0660-1R0MV
Tabelle 4: Induktorauswahl
2.1.3 BUCK-Netzteil - Ausgangsfilterkondensatorauswahl
Tabelle 5: BUCK-Netzteil - Ausgangsfilterkondensatorauswahl
2.1.4 BUCK-Netzteil - Auswahl des Eingangsfilterkondensators
Tabelle 6: BUCK-Netzteil - Auswahl des Eingangsfilterkondensators
2.2 Schaltplan- und Leiterplatten-Designwerkzeuge
2.2.1 Schaltplan- und Leiterplattendesign: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Abbildung 1 Einführung in Caritron EDA
Jialitron EDA ist ein führendes kostenloses EDA-Entwicklungstool, leistungsstark und effizient in der Entwicklung. Dieses Design verwendet Jialitron EDA für den Schaltplan- und Leiterplattentwurf.
2.3 BUCK-Netzteil - Schaltplandesign
2.3.1 BUCK-Netzteil - Schaltplandesign
Das Schaltplandesign orientiert sich am LM25149-Q1-Datenblatt und an der offiziellen Entwicklungsplatine. Das Design entspricht der Grundtheorie des BUCK-Schaltreglers und den Anforderungen an das Einzelspannungsversorgungsdesign von Hochleistungssteuergeräten.
Abbildung 2 LM25149 Schaltplan
2.3.2 BUCK Stromversorgung - Schaltungsentwurf Fokussierte Technologie
Eingangsanschluss EMC-Schaltung:
Technische Punkte:
① Die Hauptfunktion von L1 besteht darin, die Auswirkungen des leitungsgebundenen Abstrahlgeräusches der Schaltstromversorgung auf die Eingangsstromquelle zu reduzieren. Die Schaltfrequenz der Schaltstromversorgung beträgt 2,2 MHz. L1 und C23 bilden einen LC-Filter (C16 ist ein Elektrolytkondensator für niedrige Frequenzen unterhalb von 500 kHz), um bei 2,2 MHz etwa 60 dB zu reduzieren.
② C21 reduziert das Schaltgeräusch (Schwingungen an den Flanken des Leistungstransistors) und verringert hauptsächlich das EMC-Geräusch im Bereich von 10–100 MHz.
③ Falls bei C21 und C23 eine Stromversorgung (vor dem Schutz) vorliegt, muss ein Kondensatortyp mit flexibler Anschlussausführung gewählt werden. Falls bereits ein Schutz besteht, können Automobil-Kondensatoren verwendet werden. Alternativ kann auch eine orthogonale Anordnung mit zwei in Serie geschalteten Kondensatoren zum Erreichen eines ähnlichen Schutzmechanismus eingesetzt werden.
Für Leistungs-MOSFETs und die Eingangskapazität des LM25149 hat die Entkoppelkapazität die gleichen Anforderungen. Dieses Design wird nicht zur Leistungsverifikation verwendet. Verwenden Sie eine einzelne Keramikkapazität; das produktseitige Design sollte den Anforderungen der Automobilindustrie folgen.
Hinweis: LM25419 aktive EMC-Unterdrückung und doppelte Zufallsspreizspektrum-Technologie können nur in gewissem Maße die EMC-Amplitude reduzieren, jedoch nicht vollständig eliminieren. Bei Anwendungen mit hoher Stromstärke (≥ 10 A) und Schaltfrequenz von 2,2 MHz besteht weiterhin das Risiko, die Grenzwerte zu überschreiten. Es muss auf Basis der tatsächlichen Inbetriebnahme entschieden werden: Falls nach dem Entfernen des C23 die Abstrahlung über die leitungsgebundene Messung bestanden wird, kann C23 weggelassen werden, um Kosten zu sparen.
Eingangskondensatoren für BUCK-Leistung:
① C2, C3 für die BUCK-Leistungseingangskapazität, für die Schaltungs-EMV-Leistung ist dies kritisch, Auswahl einer Kapazität von 10uF bei 2 MHz mit einem Impedanzwert ≤ 5 mΩ in diesem Frequenzbereich, die Typen CGA4J1X8L1A106K125AC und CGA6P1X7S1A476M250AC weisen gute technische Spezifikationen auf und können als Referenz herangezogen werden. Bei der Auswahl der Kapazitäten können X7R-Typen mit einer Spannungsfestigkeit von 35 V / 50 V und Gehäusen in den Bauformen C1210 und C1206 verwendet werden. In diesem Design wurde bewusst die Bauform C1210 gewählt, um mehr Modellvarianten zur Verifikation der Leistungsmerkmale nutzen zu können.
② C4 dient als Hochfrequenz-Schalt-EMV-Kondensator, wählen Sie 50 V X7R, das Gehäuse C0402 ist geeignet.
C2, C3, C4: Beim Layout ist auf den Stromkreis zu achten (siehe Layout-Details), es sollte den grundlegenden Anforderungen und Designtheorien für die BUCK-Leistungseingangskapazität entsprechen. Es empfiehlt sich, sich Kenntnisse über die Theorie von BUCK-Schaltnetzteilen anzueignen, um das Verständnis bezüglich der Eingangskapazität weiter zu vertiefen.
③ TP7, TP9, TP13 dienen zum Testen der Schalt-TG-, BG- und SW-Signale, werden verwendet, um die Angemessenheit der Totzeit, das Schwingungsverhalten sowie das Einschalt- und Ausschaltverhalten der MOSFETs zu prüfen und stellen wichtige elektrische Leistungsmerkmale von Schaltnetzteilen dar.
Der GND-Testpunkt von TP dient dazu, die Masse-Schleife beim Oszilloskop-Test zu reduzieren und die Messgenauigkeit zu verbessern. In der Layoutgestaltung sollte er möglichst nahe am Testpunkt des entsprechenden Testsignals platzen.
MOSFET-Gate-Treibwiderstand:
① R1 und R2 sind MOSFET-Gate-Treibwiderstände, die eine wesentliche Auswirkung auf die Anstiegs- und Abfallflanken des Leistungs-MOSFET haben.
② Die Auswahl von R1 und R2 wird durch den Ausgangsstrom des BUCK-Leistungsreglers gesteuert (Controller (PULL- und PUSH-Widerstände), Gate-Impedanz und Ladungseigenschaften des Leistungs-MOSFETs (Eingangskapazität CISS)), weshalb bei der ursprünglichen Designauswahl die Gesamtsumme der Widerstände ≤ 10 Ohm betragen sollte. Allerdings hängt dies auch von den Ladeeigenschaften ab, sodass letztendlich eine Feinabstimmung erforderlich ist, um den geeigneten Widerstandswert auszuwählen.
③ R1 und R2 sind ebenfalls die kritischsten Parameter für Schaltgeräusch-EMC und beeinflussen gleichzeitig wesentliche Faktoren des Schaltverlustes im Kernkreis. In der praktischen Anwendung muss ein Ausgleich zwischen Effizienz (Erwärmung des MOSFETs) und EMC hergestellt werden, um einen Balancepunkt zu erreichen.
Hinweis: 6 Testpunkte zur Prüfung der Schalteigenschaften und Totzeit.
Ausgangsleistungsschleife:
① Induktivitätsauswahl: Die Induktivitätsauswahl basiert auf zwei wesentlichen Überlegungen:
– Transienter Arbeitsstrom: kann transient 21 (24) A ausgeben (Zeit: 100 μs);
-Dauerstrom: 10 A, in der Lage, bei einem Strom von 10 A stabil zu arbeiten (bei einer Umgebungstemperatur von 85 °C);
-Einschaltstromstoß (transiente Betagsstrom): Dauer ≤ 100 µs, tritt nur beim Start auf; es muss lediglich sichergestellt werden, dass die Drosselspule nicht in Sättigung gerät, um die Anforderungen zu erfüllen (Erfüllung des Strominduktivitätswerts).
② Auswahl des Messwiderstands: Auswahl des Messwiderstands mit Gehäuse R1206, thermische Leistungsdissipation ≥ 0,5 W;
③ Auswahl der Kondensatoren: siehe Abschnitt Ausgangsfilterkapazität im ersten Kapitel;
Rückkopplungsschaltung:
Der LM25149 verfügt über eine feste Ausgangskonfiguration und eine Rückkopplungsausgangskonfiguration. Weitere Einzelheiten entnehmen Sie bitte dem Datenblatt;
① R14l ist mit VDDA verbunden, Ausgang 3,3 V
② R14=24,9 K, Ausgang 5,0 V
③ R14=49,9 K, Ausgang 12,0 V
R14 leer bestücken, R9 und R10 zur Einstellung der Ausgangsspannung konfigurieren;
R19 und reserviert TP3, TP4: zum Testen, Phasenrand, Übergangsfrequenz usw.
Hinweis: TP3 und TP4 werden zum Testen, Phasenrand, Übergangsfrequenz usw. verwendet
Funktionseinstellung:
① EN: Enable-Signal, ≥1,0 V schaltet die Stromversorgung ein, kann für präzisen Unterspannungsschutz verwendet werden;
② Sync-PG: Synchronausgang oder Power Good, dieses Design wird für Power Good verwendet;
③ PFM/SYNC
-Standard (NC)-Jumper: Diodenanalogue, geringe Stromausgabe, arbeitet mit hoher Effizienz;
-Jumper kurzschließen auf Masse, erzwingt CCM-Modus;
④ Chipeinstellungen für den Betriebsmodus: insgesamt fünf Betriebsmodi (siehe Spezifikation)
2,4 BUCK Stromversorgung - Leiterplatten-Design
2.4.1 BUCK-Netzteil-PCB-Design
① -OBERSEITE
② -MASSE
③ -Signal
④ -Unterseite
2.4.2 BUCK-Netzteil-PCB-Design Schwerpunkt auf Technologie
Eingangs- und Ausgangskapazitätsschleifen:
① Die Eingangs- und Ausgangskapazitäten des BUCK-Netzteils sollten eine minimale Schleife aufrechterhalten, was einen wichtigen Einfluss auf die EMV hat;
② C4 dient hauptsächlich dazu, das Schaltungsrauschen während der Anstiegs- und Abfallflanke zu absorbieren.
MOSFETs und induktive Schleifen:
① Die Verwendung von Zwei-in-Eins-MOSFETs reduziert die Layoutfläche und senkt die Kosten, jedoch ist der Nachteil, dass das Layout SW den minimalen Schleifenabstand nicht beibehalten kann;
② Der SW-Punkt des Zwei-in-Eins-MOSFETs kann keine Ausrichtung in der gleichen PCB-Schicht realisieren, es ist erforderlich, die Schicht zu wechseln, um die Fläche auszulegen, um die Kontinuität des Stromkreises sicherzustellen.
Strommessung:
① Für die Strommessung ist eine Differentialausrichtung mit einer Referenz-GND-Fläche erforderlich;
② Impedanzsteuerung und gleichlange Leitungsführung sind nicht notwendig, die Ausrichtung behält den minimalen Layoutabstand bei.
FB-Rückmeldung:
Widerstände und andere Bauelemente sollten möglichst nahe an den Steuerchippins platziert werden.
Kühlung und GND:
Wärmeentwickelnde Bauteile: MOSFETs, Induktivitäten und Messwiderstände. Die Fläche kann entsprechend vergrößert werden, um Wärme abzuleiten, zudem verbessern zusätzliche GND-Vias die Wärmeverteilung der gesamten Platine.
3- Domain Controlled Level 1 BUCK Stromversorgungsdesign - Zusammenfassung
3.1 3D-Zeichnung
3D-Figur-1
3D-Figur-2
3.2 Designzusammenfassung
① Das Schaltnetzteil-Design verwendet eine 4-Lagen-Platine mit einer Dicke von 1,6 mm und den Abmessungen 30 × 65 mm;
② Der Ausgangsstrom kann den maximalen transienten Strom von Qualcomm SA8295 mit 24 A erreichen und unterstützt eine Dauerleistung von mindestens 10 A.
4-Über Codaca Elektronik
Codaca legt den Schwerpunkt auf die eigenständige Forschung, Entwicklung und Fertigung von Induktivitäten. Der Typ VSEB0660-1R0M eignet sich für die Entwicklung und Anwendung auf Qualcomm-Plattformen. Er bietet technische Vorteile wie hohes Preis-Leistungs-Verhältnis, hohe Sättigungsstromfestigkeit, geringe Wärmeentwicklung und ein branchenführendes Leistungs-Volumen-Verhältnis. Codaca legt den Schwerpunkt auf Technologieforschung, technologische Innovation und die Entwicklung hochwertiger Produkte für die Industrie der Induktivitäten, um die Entwicklung und Anwendung elektronischer Produkte zu unterstützen.
5- Test und Verifikation
Für die Nachtestverifikation beachten Sie bitte Folgendes: 03-Decodierung des Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Stromversorgungsdesigns: Leistungstest-Messanalyse (wird veröffentlicht)
[Referenz]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E