EN
Schnelllinks
Die rasante Entwicklung der Industrie für neue Energiefahrzeuge hat das explosive Wachstum verschiedener Industrieketten vorangetrieben, und die Automobilintelligenz sowie das autonome Fahren sind zu den wichtigsten zentralen Wettbewerbsrichtungen bei neuen Energiefahrzeugen geworden. Dies bringt neue Herausforderungen und Chancen für hochintegrierte Zentralrechner und Domain-Controller mit sich, insbesondere hinsichtlich Zuverlässigkeit, hoher Leistungsdichte, EMV, hoher Effizienz und Kosten-Nutzen-Verhältnis von DC-DC-Schaltnetzteilen.
Als Anbieter von intelligenten Cockpit-Domain-Controllern nehmen SA8155 und SA8295 eine wichtige Position ein, und die Widersprüche zwischen transitorischem Strom, stabilen Betriebsstrom, Standby-Wirkungsgrad, Kosten und dem EMC-Design der Schaltnetzteile für die primäre Stromversorgung des zentralen Domain-Control-SOC (Stromversorgung, umgewandelt aus der Batterieeingangsstufe) sind zu einer großen Herausforderung für das BUCK-Netzteil-Design geworden. Die Lösung und Balance dieser Widersprüche stellt die technische Richtung dar, an der Hersteller von Schaltnetzteil-Architekturen, Spannungsreglern, Induktivitäten, MOSFETs und Kondensatoren gemeinsam arbeiten.
Dieser Artikel behandelt das Design von DC-DC-Schaltnetzteilen für die primäre Stromversorgung zentraler Domain-Controller mit großem dynamischen Schaltbereich (100–300 %), einschließlich Stromversorgungskonzept, Auswahl von Induktivitäten und Kondensatoren sowie weiterer Designmethoden unter Berücksichtigung der Herausforderungen hinsichtlich Abmessungen, Kosten, Wirkungsgrad und Leistung.
Dieses Kapitel nimmt den Qualcomm SA8295-Domänencontroller als Beispiel, um die praktische Auslegung der BUCK-Schaltnetzteil-Stufe zu erörtern und umzusetzen.
Für dieses Kapitel ist die Lektüre der ersten Serie (detaillierte Theorie und Berechnung von BUCK-Schaltnetzteilen) erforderlich, um das BUCK-Netzteil basierend auf dem LM25149 detailliert auszulegen.
Diese Artikelreihe besteht aus drei Serien (mit laufenden Aktualisierungen):
02-Decodierung des Stromversorgungsdesigns für Qualcomm-Automotive-Domänencontroller: Schaltplan- und Leiterplattendesign (dieses Kapitel)
1- Designziele und Herausforderungen
1.1 SA8295 Transiente Stromanforderungen
Tabelle 1: SA8295 Stromversorgungsdesign-Anforderungen
Hinweis: Die neuesten SA8295-Anforderungen betragen 21 A (1 NPU) und 24 A (2 NPUs). Dieses Design kann abgedeckt werden (30 A Überstromschutz)
1.2 Konstruktionsziele
Dieses Design verwendet einen LM25149-Domänencontroller für die erste Stufe der Stromversorgung , der die Anforderungen an den transienten Strom von 24 A (100 µs) erfüllt und den Dauerbetrieb mit mehr als 10 A gewährleistet, um so ein umfassendes Gleichgewicht zwischen Baugröße, Kosten und Leistung zu erreichen.
Hinweis: Transiente Ströme verursachen kein Wärmeproblem (bei Qualcomm SA8295 nur 100 µs transiente Ströme); dagegen führt ein stationärer Großstrom zu einer Erhöhung der Temperaturanstiegsrate, wobei der Einfluss des Temperaturanstiegs gemessen werden muss (das Gestaltungskonzept wird entsprechend den tatsächlichen Umgebungsbedingungen ausgewählt).
2- Schaltplan und PCB-Design
2.1 Auswahl der Kernkomponenten
Die Kriterien für die Auswahl der Hauptkomponenten der Schaltstromversorgung im Domänensteuergerät: Leistung steht an erster Stelle, unter Berücksichtigung der Kosten und Verringerung der Leiterplattenfläche; unter Berücksichtigung des EMC-Problems und des Stromkreisproblems einer BUCK-Schaltstromversorgung entspricht dies der allgemeinen Theorie und Regelung zur Auslegung von BUCK-Schaltstromversorgungen, auf die allgemeine Entwurfsmethode kann verwiesen werden.
Für Details zur Auswahl und Berechnung elektronischer Bauteile siehe Kapitel 1 ( Entschlüsselung des ersten Stufen-Stromversorgungsdesigns für Qualcomm Automotive Domain Controller: Stromversorgungsdesign und Berechnung )
Option 2 für dieses Design (mit acht keramischen Kondensatoren mit 47 µF im C1210-Gehäuse). Das Design ist nicht auf diese Auswahl beschränkt, und das Produktdesign kann je nach tatsächlicher Situation angepasst werden. Die Designoptimierung kann anhand der tatsächlichen Testergebnisse durchgeführt 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
Die Induktorauswahl verwendet das Modell: VSEB0660-1R0MV
Tabelle 4: Induktorauswahl
2.1.3 Auswahl des Ausgangsfilterkondensators für eine BUCK-Stromversorgung
Tabelle 5: Auswahl des Ausgangsfilterkondensators für eine BUCK-Stromversorgung
2.1.4 BUCK-Stromversorgung – Auswahl der Eingangsfilterkondensatoren
Tabelle 6: BUCK-Stromversorgung – Auswahl der Eingangsfilterkondensatoren
2.2 Schaltplan- und Leiterplatten-Designwerkzeuge
2.2.1 Schaltplan und PCB-Design: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Abbildung 1 Einführung in Caritron EDA
JLC Technology EDA ist das führende kostenlose EDA-Entwicklungswerkzeug in China mit leistungsstarken Funktionen und hoher Entwicklungseffizienz. Für dieses Design wurden der Schaltplan und die PCB mit JLC Technology EDA erstellt.
2.3 BUCK-Netzteil - Schaltplandesign
2.3.1 BUCK-Netzteil - Schaltplandesign
Das prinzipielle Design bezieht sich auf die Spezifikation des LM25149-Q1 und die offizielle Entwicklungsplatine. Das Design erfüllt die grundlegenden Theorien einer BUCK-Schaltnetzteil-Topologie sowie die Konstruktionsanforderungen der primären Stromversorgung von Hochleistungs-Domain-Controllern.
Abbildung 2 Schaltplan des LM25149
2.3.2 BUCK-Stromversorgung – Schlüsseltechnologie im Schaltplan-Design
Eingangs-EMV-Schaltung:
Technische Punkte:
① Die Hauptfunktion von L1 besteht darin, die Auswirkungen von leitungsgebundenem Störgeräusch aus dem Schaltnetzteil auf die Eingangsspannungsquelle zu reduzieren. Die Schaltfrequenz des Schaltnetzteils beträgt 2,2 MHz. L1 und C23 bilden einen LC-Filter (C16 ist der Elektrolytkondensator, hauptsächlich für niederfrequente Anteile unterhalb 500 kHz), wodurch das Signal bei 2,2 MHz um 60 dB reduziert wird.
② C21 reduziert Schaltgeräusche (Schwingungen an den Flanken des Leistungsschalters) und dämpft insbesondere EMV-Störungen im Bereich von 10–100 MHz.
③ Wenn C21 und C23 in Netzteilen der ersten Klasse (vor dem Schutz) verwendet werden, muss das Modell mit flexiblem Anschlusskondensator gewählt werden. Wenn der Schutz vorhanden ist, kann ein Kondensator der Automobilklasse gewählt werden. Ein ähnlicher Schutzmechanismus kann auch durch eine serienmäßige Anordnung von zwei Kondensatoren realisiert werden.
Für Leistungs-MOSFETs und die Eingangskondensatoren von LM25149 gelten dieselben Anforderungen an Entkopplungskondensatoren. Diese Auslegung wird nicht zur Leistungsverifikation verwendet, sondern setzt einen einzelnen keramischen Kondensator ein, wobei die produktseitige Auslegung den Anforderungen einer Automobilklasse folgt.
Hinweis: LM25419 aktive EMC-Störungskompensation und Dual-Random-Spread-Spectrum-Technologie reduzieren die EMC-Amplitude nur bis zu einem gewissen Grad, wobei EMC nicht vollständig eliminiert werden kann. Bei Schaltfrequenzen von 2,2 MHz mit entsprechender Energie und Anwendungen mit hohem Strom (≥10 A) besteht weiterhin das Risiko, die Grenzwerte zu überschreiten. Maßgeblich sind letztendlich die Ergebnisse der praktischen Inbetriebnahme. Falls nach Entfernen von C23 die Leitungsstörstrahlung dennoch innerhalb der Norm bleibt, kann auf die Verwendung von C23 verzichtet werden, was die Kosten senkt.
Eingangskondensatoren für BUCK-Leistung:
① C2 und C3 sind Eingangskondensatoren für die BUCK-Leistungsversorgung, die entscheidend für die EMC-Leistung der Schaltnetzteilanwendung sind. Bei den 10 µF-Kondensatoren sollte eine Impedanz von etwa ≤5 mΩ bei 2 MHz gewählt werden. Die Typen CGA4J1X8L1A106K125AC und CGA6P1X7S1A476M250AC weisen gute technische Kennwerte als Referenz auf. Für die Kondensatorauswahl können X7R-Typen mit einer Spannungsfestigkeit von 35 V/50 V verwendet werden; Gehäusegrößen C1210 und C1206 sind geeignet. In diesem Design wurde die Gehäusegröße C1210 gewählt, um eine breite Modellverifikation der Leistung zu ermöglichen.
② C4 ist ein hochfrequenter Schalt-EMV-Kondensator, wählen Sie 50 V X7R, Gehäuse C0402.
C2, C3, C4: Bei der Layout-Erstellung ist auf die Stromschleife zu achten (siehe Details zum Layout). Es müssen die grundlegenden Anforderungen an die Eingangskapazität und die Gestaltungstheorie einer BUCK-Stromversorgung erfüllt werden. Das Verständnis kann durch das Studium der Theorie der BUCK-Schaltstromversorgung vertieft werden.
③ TP7, TP9, TP13 dienen zur Prüfung der TG-, BG- und SW-Signale des Schalters und werden verwendet, um die Angemessenheit der Totzeit, das Schwingungsverhalten sowie die Flankensteilheit des MOSFETs zu testen. Dies stellt einen wichtigen elektrischen Leistungsprüfindex der Schaltnetzteiltechnik dar.
Der TP-Testpunkt für GND dient dazu, die Oszilloskop-Test-GND-Schleife zu verkleinern und die Messgenauigkeit zu verbessern. Beim LAYOUT ist darauf zu achten, den Testpunkt möglichst nahe am entsprechenden Testsignal zu platzieren.
MOSFET-Gate-Treibwiderstand:
① R1 und R2 sind die Gate-Ansteuerwiderstände des MOSFETs und haben einen wesentlichen Einfluss auf die Anstiegs- und Abfallflanken des Leistungs-MOSFETs.
② Die Auswahl von R1 und R2 wird durch die kombinierten Einflüsse des gesteuerten BUCK-Netzteilsteuerungsausgangsstroms (Steuergerät (Pull- und Push-Widerstand), Gate-Impedanz und Ladungseigenschaften des Leistungs-MOSFET (Eingangskapazität CISS)) beeinflusst, und der Gesamtwiderstand wird im ersten Entwurf ≤ 10 Ohm gewählt, was ebenfalls von den Ladungseigenschaften abhängt und feinabgestimmt werden muss, um den geeigneten Widerstandswert auszuwählen.
③ R1 und R2 sind ebenfalls die wichtigsten Parameter, die die Schaltgeräusch-EMV am stärksten beeinflussen, sowie die Kernelemente des Schaltkreises, die die Schaltverluste beeinflussen.
Hinweis: 6 Testpunkte werden zur Prüfung der Schalteigenschaften und der Totzeit verwendet.
Ausgangsleistungsschleife:
① Induktorauswahl: Bei der Induktorauswahl werden hauptsächlich zwei Faktoren berücksichtigt:
- Transienter Arbeitsstrom: In der Lage, transient 24 A auszugeben (Zeit: 100 μs);
- Dauerarbeitsstrom: 10 A, stabil arbeitend bei 10 A Strom (einschließlich Umgebungstemperaturbedingungen von 85 °C);
-Die Dauer des transienten Betriebsstroms beträgt ≤ 100 µs und tritt während der Anlaufphase auf; nur unter der Bedingung, dass die Induktivität nicht gesättigt ist, können die Anforderungen erfüllt werden (Einhaltung des Induktivitätswerts bei gegebenem Strom).
② Auswahl des Messwiderstands: Der Messwiderstand wird im R1206-Gehäuse gewählt, mit einer Wärmeableitung von ≥ 0,5 W;
③ Auswahl der Kondensatoren: Siehe Kapitel „Ausgangsfilterkondensator“ im ersten Teil des Kapitels;
Rückkopplungsschaltung:
LM25149 verfügt über eine feste Ausgangskonfiguration und eine Rückkopplungs-Ausgangskonfiguration; ausführliche Informationen 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
Die Ausgangsspannung wird über R14, R9 und R10 auf dem leeren Aufkleber konfiguriert;
R19 sowie die vorgesehenen Testpunkte TP3 und TP4: zur Prüfung von Phasenrand, Durchtrittsfrequenz usw.;
Hinweis: TP3 und TP4 dienen zur Messung von Phasenrand, Durchtrittsfrequenz usw.
Funktionseinstellungen:
① EN: Enable-Signal, schaltet die Spannungsversorgung bei ≥ 1,0 V ein, kann durch präzise Unterspannungsabschaltung geschützt werden;
② Sync-PG: Synchronausgang oder Power Good; diese Schaltung ist für Power Good ausgelegt;
③ PFM/SYNC
-Standard (NC) Jumper: Dioden-Analog, geringe Stromabgabe, kann mit hohem Wirkungsgrad arbeiten;
-Kurzschluss-Jumper gegen Masse, erzwungener CCM-Modus;
④ Chip-Betriebsmoduseinstellung: insgesamt 5 Betriebsmodi (siehe Spezifikationsbuch).
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 – Schlüsseltechnologie für die PCB-Auslegung
Eingangs- und Ausgangskondensator-Loops:
① Die Eingangs- und Ausgangskondensatoren des BUCK-Netzteils müssen eine minimale Loop-Fläche aufweisen, was einen wesentlichen Einfluss auf die EMC hat;
② C4 dient hauptsächlich dazu, das Ringing-Rauschen der steigenden und fallenden Flanken des Schalters zu absorbieren.
MOSFETs und Induktivitäts-Loops:
① Die Verwendung von zwei-in-einem MOSFETs verringert die Layoutfläche und die Kosten; der Nachteil ist, dass die SW-Layout-Fläche nicht minimal gehalten werden kann;
② Der SW-Punkt des zwei-in-einem MOSFETs kann nicht in derselben PCB-Lage realisiert werden, weshalb ein Wechsel der Lagen erforderlich ist, um einen kontinuierlichen Leistungsstrom zu gewährleisten.
Strommessung:
① Der Abtaststrom muss differentielle Leiterbahnen aufweisen, und es muss eine Referenz-GND-Ebene vorhanden sein;
② Es ist nicht erforderlich, Impedanz und gleiche Leiterbahnlänge zu steuern; die Leiterbahnen halten den minimalen Abstand der Layoutanordnung ein.
FB-Rückmeldung:
Widerstände und andere Bauelemente sollten möglichst nahe an den Steuerchippins platziert werden.
Kühlung und GND:
Heizelemente: MOSFETs, Drosseln und Shunt-Widerstände können die Wärmeableitung im Flächenbereich angemessen erhöhen; die Erhöhung der GND-Vias kann helfen, die Wärmeableitungsbedingungen der gesamten Platine zu verbessern.
3- Domänenkontrollierte BUCK-Netzteil-Schaltung erster Klasse – Zusammenfassung
3.1 3D-Zeichnung
3D-Figur-1
3D-Figur-2
3.2 Designzusammenfassung
① Das Schaltnetzteil-Design verwendet eine 4-Lagen-Aufbauweise, mit einer PCB-Dicke von 1,6 mm und einer Größe von 30x65 mm;
② Der Ausgangsstrom kann den maximalen transienten Strom von Qualcomm SA8295 mit 24 A erfüllen und unterstützt eine stationäre Ausgangsleistung von mehr als 10 A.
4-Über Codaca Elektronik
Codaca konzentriert sich auf unabhängige Forschung, Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von Drosseln, und die VSEB0660-1R0M eignet sich für die Entwicklung und Anwendung von Qualcomm-Plattformen. Sie verfügt über technische Vorteile wie hohe Kosten-Leistung, starke Anti-Sättigungsstrom-Festigkeit und geringe Wärmeentwicklung sowie ein branchenführendes Leistungs-zu-Volumen-Verhältnis. Codaca legt den Schwerpunkt auf Technologieforschung und -entwicklung, technologische Innovation, entwickelt hervorragende Produkte für die Drosselindustrie und unterstützt die Entwicklung und Anwendung elektronischer Produkte.
5- Test und Verifikation
Für nachfolgende Tests und Verifizierungen beachten Sie bitte: 03- Entschlüsselung des Stromversorgungsdesigns der ersten Stufe für Qualcomm-Automotive-Domain-Controller: Analyse von Leistungstest-Messungen .
[Referenz]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E