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El rápido desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía ha impulsado un crecimiento explosivo en diversas cadenas industriales. La inteligencia vehicular y la conducción autónoma se han convertido en las direcciones estratégicas más críticas para los vehículos de nueva energía, generando nuevos desafíos y oportunidades para cerebros centrales altamente integrados y controladores de dominio, especialmente en términos de confiabilidad, alta densidad de potencia, compatibilidad electromagnética (EMC) de fuentes conmutadas DC-DC, alta eficiencia y alto rendimiento costo-beneficio.
Qualcomm, como proveedor de controladores de dominio para cabinas inteligentes, ocupa una posición destacada con los modelos SA8155 y SA8295. Los conflictos entre la corriente transitoria, la corriente estable de funcionamiento, la eficiencia del consumo en espera, el costo y el diseño EMC del convertidor conmutado (SMPS) de la alimentación principal del SOC del controlador central de dominio (alimentación desde la entrada de batería hasta la conversión primaria) se convierten en un desafío importante para el diseño de la fuente BUCK. Cómo resolver y equilibrar estos conflictos es la dirección técnica en la que trabajan conjuntamente la arquitectura del convertidor conmutado, los circuitos integrados de potencia, inductores, MOSFETs y condensadores.
Este artículo combina el diseño de la alimentación principal del controlador de dominio central para aplicaciones automotrices con corriente de fuente conmutada de gran conmutación dinámica (100-300%), explorando el diseño de fuentes conmutadas DC-DC, incluyendo soluciones de alimentación y métodos de selección de inductores y capacitores. Se analiza e implementa un diseño práctico abordando los desafíos relacionados con volumen, costo, eficiencia y rendimiento.
Este artículo toma el controlador de dominio SA8295 de Qualcomm como ejemplo para explorar e implementar el diseño práctico de la fuente conmutada BUCK principal.
Esta serie de artículos consta de tres partes (a actualizarse continuamente):
01- Descifrando el Diseño de la Fuente de Alimentación de Primer Nivel del Controlador de Dominio Automotriz Qualcomm: Diseño y Cálculo de la Fuente de Alimentación (este capítulo)
1- Objetivos y Desafíos del Diseño
1.1 Requisitos de Corriente Transitoria para el SA8295
Tabla 1: Requisitos de Diseño de Alimentación del SA8295
1.2 Requisitos de Corriente en Espera SA8295
Consumo de energía en espera de la alimentación de 3.3V del SOC Qualcomm dentro de 4-7.5mA (incluido el consumo de memoria en auto-refresco), soporta activación desde modo de espera.
El presupuesto actual total del vehículo para el Central Brain (Controlador de Dominio de Cabina) es de 7-10 mA (13,5 V), el módulo 4G/5G consume solo 4-5 mA, la corriente del Qualcomm SA8295 a 13,5 V es de 3 mA (40 mW) o menos.
1.3 Tres desafíos
1.3.1 Reto 1: Corriente de salida de la fuente conmutada del Controlador de Dominio Qualcomm SA8295
Corriente transitoria elevada, 3,3 V, 18 amperios (0,1 ms), 0,1 ms ya es un período prolongado de salida en estado estable para una fuente conmutada de corriente continua (DC-DC), lo que requiere que la fuente reductora esté diseñada para una salida estable de 18 amperios.
1.3.2 Reto 2: Dinámica de la fuente conmutada de alta calidad del Controlador de Dominio SA8295
La corriente de trabajo en estado estable del controlador de dominio SA8295 es de 5-9 amperios, lo que provocará una diferencia de corriente de trabajo estable superior al 300 % en la inductancia de la fuente conmutada (la inductancia es inversamente proporcional a la corriente nominal) en términos de volumen, costo y frecuencia, generando conflictos significativos.
1.3.3 Reto 3: Eficiencia en micro-potencia de la fuente conmutada del Controlador de Dominio SA8295 de alta calidad
El consumo de energía en espera, con una eficiencia del 70 % a 13,5 V y 3 mA, representa un gran desafío para la arquitectura del controlador de alimentación y el diseño de selección del inductor.
Este diseño se basa en el reto del diseño de alimentación buck primario máximo del SA8295, explorando las dificultades centrales de las fuentes de alimentación conmutadas y las soluciones tecnológicas DC-DC.
2- Comparación de selección de soluciones
2.1 Requisitos técnicos de la fuente de alimentación del controlador de dominio Qualcomm SA8295
Como se muestra en la tabla 2:
Tabla 2: Requisitos técnicos de diseño de alimentación Qualcomm SA8295
2.2 Esquema de diseño y documentos técnicos
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, etc., pueden cumplir todos con los requisitos de diseño. Este diseño selecciona LM25149-Q1 como esquema de alimentación primaria del controlador de dominio central para este proyecto.
2.2.1 Dirección oficial del LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tabla 3: Materiales de referencia de diseño del LM25149-Q1
2.2.2 Hoja de especificaciones del LM25149-Q1:
2.2.3 Placa de desarrollo LM25149-Q1:
Guía del usuario para el EVM LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 Estabilidad y rendimiento del filtro activo:
Cómo garantizar la estabilidad y el rendimiento de los filtros EMI activos (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 Herramientas de Diseño :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC Herramienta de cálculo | TI.com
3- Diseño y cálculo de la fuente de alimentación Síncrona BUCK
3.1 Especificaciones principales y parámetros de diseño del LM25149
Tabla 4: Requisitos de especificaciones técnicas de diseño de alimentación Qualcomm SA8295
Eficiencia
Filtros EMI Activos
Pruebas EMI
Diagrama de Diseño de Referencia
Placa de Evaluación de Solución de Diseño de Referencia
3.2 Cálculo de Selección del Inductor LM25149 Synchronous BUCK
3.2.1 Fórmula de cálculo para fuente de alimentación Synchronous BUCK:
Tabla 5: Fórmulas de cálculo para el diseño de fuente de alimentación BUCK síncrona
3.3 Cálculo del inductor mínimo
(Fórmula de cálculo, ver Tabla 5.)
Tabla 6: Gráfico curva de cálculo de inductancia mínima (∆I=0,3)
Tabla 7: Cálculo de la inductancia mínima
3.3.1 Resumen de los datos de cálculo de inductancia:
① Si el diseño abarca el rango de 6-20 A (cálculo con AI=0,3), con una entrada de 16 V y una salida de 6 A, la inductancia debe ser ≥0,69 μH.
② Cálculo teórico de la inductancia Lmin del alimentador conmutado: ≥ 0,69μH (teórico);
③ Considerando la selección de diseño real y la tolerancia del inductor ±20 %, se recomienda elegir 0,82 μH y 1,0 μH como diseño óptimo (aumentar el valor de inductancia incrementa el tamaño del inductor, el costo y reduce la SRF).
3.4 Cálculos de corriente del inductor
(Fórmula: consultar tablas 5, ítems 1 y 2)
Tabla 8: Cálculo de la corriente del inductor de 0,82μH
Tabla 9: Cálculo de la corriente del inductor de 1,0μH
3.4.1 Corriente de saturación del inductor según cálculo teórico ≥ 20,76 A, redondeado a 21 A:
Tabla 10: Especificaciones del inductor
4- Selección de inductor para fuente de alimentación conmutada
Tabla 11: Selección del Inductor
4.1 Cálculo del resistor de muestreo de corriente para fuente de alimentación conmutada LM25149
Tabla 12: Cálculo teórico del resistor de muestreo de corriente
Tabla 13: Selección del resistor de muestreo de corriente
4.2 Cálculo del condensador de salida para fuente de alimentación conmutada Synchronous BUCK
(Cálculo del condensador de salida: Consulte la ecuación en la Tabla 5)
Tabla 14: Cálculo del condensador de salida para fuente de alimentación conmutada Synchronous BUCK
En los diseños de fuentes de alimentación conmutadas tipo buck sincrónicas, existe un equilibrio entre el rendimiento, el tamaño y el costo de los capacitores del filtro de entrada y salida. Las pruebas de especificación de capacitores se realizan bajo condiciones específicas, y las variaciones en los instrumentos durante las pruebas pueden generar discrepancias del 10 al 50 % para especificaciones idénticas. El rendimiento final del diseño requiere validación científica y pruebas mediante el proceso de depuración (no existe una única solución óptima; solo la selección de un esquema adecuado para la aplicación específica).
Los capacitores conmutadores deben cumplir: Capacidad ≥ 320uF (requisito de overshoot), capacidad del capacitor cerámico mayor a 2.435uF (no es una condición fundamental, basta con cumplir el requisito).
Tabla 15: Selección recomendada de modelos de capacitores de filtro de salida para fuentes de alimentación conmutadas
Tabla 16: Diseño de capacitores de filtro de salida para fuentes de alimentación conmutadas
4.3 Cálculo del capacitor de entrada para la fuente de alimentación LM25149
4.3.1 Cálculos de la capacitancia de entrada
Tabla 17: Cálculo del condensador de filtro de entrada para fuente de alimentación conmutada
Tabla 18: Selección de filtros de salida para fuentes de alimentación conmutadas
4.4 Cálculo para la selección del Mosfet LM25149
4.4.1 Cálculo del MOSFET
La hoja técnica del LM25149 no incluye muchos cálculos ni selecciones detalladas. Los cálculos y selecciones de QG se basan en estimaciones empíricas y deducciones inversas. Los resultados del cálculo indican un valor de Vgs de 4,5-5,0 V y ≤22 nC. El proceso de cálculo se muestra en la tabla siguiente. La plataforma Miller se selecciona entre 2-3 V (también es aceptable cercana a 3 V), y Rdson se selecciona como ≤8 mΩ.
Tabla 19: Selección y cálculos del Mosfet
4.5 Recomendaciones para la selección del Mosfet
Tabla 20: Modelos de selección del Mosfet
4.6 Cálculos de retroalimentación y compensación del LM25149
Tabla 21: Cálculos de FB y compensación
4.7 Cálculo del diseño EMC del LM25149
Sin entrar en un análisis demasiado detallado, consulte las especificaciones.
5- Resumen del Diseño
5.1 Resumen del diseño y selección de la fuente de alimentación BUCK del LM25149
Tabla 22: Diseño y Selección
5.2 Resumen de la solución
El rendimiento y la eficiencia de las fuentes de alimentación conmutadas síncronas se ven afectados por muchos factores. El rendimiento y las especificaciones deben tener en cuenta factores prácticos. Este capítulo se utiliza para cálculos teóricos con el fin de proporcionar orientación teórica para el diseño práctico. El rendimiento y las especificaciones del diseño están estrechamente relacionados con el rendimiento de los componentes, las condiciones de uso, el diseño de disposición, etc., y requieren pruebas y verificaciones rigurosas.
El diseño de fuente de alimentación buck síncrona para controladores principales de Qualcomm es un área desafiante del diseño de controladores, que requiere un equilibrio entre rendimiento, tamaño y costo. CODACA se enfoca en la I+D independiente y el diseño de inductores de potencia y bobinas de modo común. El CSEB0660-1R0M es adecuado para el desarrollo y aplicaciones en plataformas Qualcomm, ofreciendo una alta relación costo-rendimiento, gran resistencia a la corriente de saturación, baja generación de calor y una relación potencia-volumen líder en la industria. CODACA está comprometida con la investigación, desarrollo tecnológico e innovación, creando productos excelentes para la industria de inductores y contribuyendo al desarrollo y aplicación de productos electrónicos.