El rápido desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía ha impulsado un crecimiento explosivo en cada cadena de producción. La inteligencia automotriz y la conducción autónoma se han convertido en la dirección de la máxima competitividad central para los vehículos eléctricos, trayendo nuevos desafíos y oportunidades para el cerebro central altamente integrado y los controladores por dominios, especialmente en cuanto a la confiabilidad de las fuentes de alimentación conmutadas DC-DC, alta densidad de potencia, compatibilidad electromagnética (EMC) de las fuentes de alimentación conmutadas, alta eficiencia y costo-efectividad.
Qualcomm como proveedor del controlador de dominio inteligente, los modelos SA8155 y SA8295 ocupan una posición importante; la corriente transitoria del suministro de energía de nivel 1 del SOC de control centralizado (alimentación convertida desde el nivel de entrada de batería nivel 1), la corriente estable en operación, la eficiencia en modo de espera, el costo y la contradicción entre el diseño EMC del regulador conmutado se han convertido en un gran reto para el diseño de la fuente de alimentación BUCK. Cómo resolver y equilibrar estas contradicciones es la dirección técnica conjunta del arquitecto de fuente conmutada, el circuito integrado de alimentación, el inductor, el Mosfet y el condensador.
Este documento combina el diseño de suministro eléctrico centralizado en automoción a nivel de control de dominio con una corriente dinámica de gran tamaño (100-300%) para explorar el diseño de fuentes de alimentación conmutadas DC-DC, incluyendo métodos de diseño como la selección de inductores, capacitores y otros componentes; teniendo en cuenta el volumen, costo, eficiencia y desafíos técnicos para lograr un diseño práctico y funcional.
Este documento explora e implementa el diseño práctico de una fuente de alimentación conmutada BUCK de una sola etapa utilizando como ejemplo el controlador de dominio Qualcomm SA8295.
Esta serie de artículos contiene tres partes (se actualizará continuamente en el futuro):
01- Descifrando el Diseño de la Fuente de Alimentación Nivel 1 del Controlador de Dominio Automotriz Qualcomm: Diseño y Cálculo de la Fuente de Alimentación (este capítulo)
02- Desmitificando el Diseño del Suministro de Nivel 1 para el Controlador de Dominio Automotriz de Qualcomm: Diseño Esquemático y Diseño PCB
03- Descifrando el Diseño del Suministro de Nivel 1 para el Controlador de Dominio Automotriz de Qualcomm: Análisis de Medición de Pruebas de Rendimiento
1- Objetivos y Desafíos del Diseño
1.1 Requisitos de Corriente Transitoria SA8295
Tabla 1: Requisitos de Diseño de la Fuente de Alimentación 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.
Cerebro central (controlador de dominio de cabina) presupuesto total de corriente del vehículo completo 7-10mA (13.5V), consumo individual del módulo 4G/5G 4-5mA, corriente del Qualcomm SA8295 a 13.5V dentro de 3mA (40mW).
1.3 Tres desafíos
1.3.1 Desafío 1 de Corriente de Salida del Convertidor Conmutado del SA8295 de Control de Dominio Qualcomm
Corriente transitoria elevada, 3.3V, 18 Amperios (0.1ms), 0.1ms para una fuente de alimentación conmutada DC-DC ya pertenece a la salida en estado estacionario prolongado, se requiere una fuente de alimentación Buck según el diseño de salida estable de 18 Amperios.
1.3.2 Desafíos dinámicos de alta corriente en la fuente de alimentación conmutada del controlador Qualcomm SA8295 2:
La corriente operativa en estado estacionario del controlador Qualcomm SA8295 está entre 5 y 9 amperios, lo cual provocará que la inductancia de la fuente de alimentación conmutada (la inductancia y el tamaño de la corriente son inversamente proporcionales) seleccione una diferencia superior al 300% en tamaño, costo y frecuencia entre las opciones adecuadas para la corriente operativa estable.
1.3.3 Desafíos de eficiencia micropotencia en la fuente de alimentación conmutada del controlador Qualcomm SA8295 3:
Consumo en espera, necesita una eficiencia del 70% con un consumo de 3mA a 13.5V, lo cual representa también un gran desafío en la arquitectura del controlador de potencia y en el diseño de selección de inductancias.
Este diseño se basa en el diseño de la fuente de alimentación Buck de un nivel más desafiante SA8295, para explorar las dificultades centrales de las fuentes de alimentación conmutadas y las soluciones tecnológicas DC-DC.
2- Comparación de selección de programas
2.1 Requisitos técnicos de la fuente de alimentación del controlador de dominio Qualcomm SA8295
Como se muestra en la tabla 2:
Tabla 2: Especificaciones requeridas para el diseño de la fuente de alimentación Qualcomm SA8295
2.2 Diseño del programa e información técnica
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 y LM25149-Q1 pueden cumplir con los requisitos de diseño. En este diseño, se elige el LM25149-Q1 como esquema de diseño de fuente de alimentación de primer nivel para este controlador de dominio central.
2.2.1 Dirección oficial de LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tabla 3: Referencias de diseño LM25149-Q1
2.2.2 Hoja de datos de 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: Especificaciones requeridas para el diseño de la fuente 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: Ecuación de cálculo del diseño de fuente de alimentación Synchronous BUCK
3.4 Cálculo de la Inductancia Mínima
(Para fórmulas, ver Tabla 5.)
Tabla 6: Gráfico calculado de inductancia mínima (∆I=0.3)
Tabla 7: Cálculo de la inductancia mínima
3.4.1 Resumen de los datos del cálculo de inductancia:
① Si el diseño cubre el rango de 6-20A (cálculo AI=0,3), entrada de 16V, salida de 6A, inductancia ≥ 0,69μH.
② Cálculo teórico de la inductancia Lmin del alimentador conmutado: ≥ 0,69μH (teórico);
③ Considerando la selección real del diseño y el error de inductancia ±20%, seleccionar 0,82μH y 1,0μH como mejor diseño (el valor de inductancia aumenta, el volumen de inductancia aumenta, el costo aumenta, la frecuencia de resonancia serie disminuye).
3.5 Cálculos de corriente del inductor
(Fórmula: consultar tablas 1 y 2 de la tabla 5)
Tabla 8: Cálculo de la corriente del inductor de 0,82μH
Tabla 9: Cálculo de la corriente del inductor de 1,0μH
3.5.1 Corriente de saturación teórica calculada del inductor ≥ 20,76A, redondeado a 21A:
Tabla 10: Indicadores de Inductancia
4- Selección del inductor para la fuente de alimentación conmutada
Tabla 11: Selección del Inductor
4.1 Cálculo de la resistencia de muestreo de corriente del inductor LM25149 en la fuente de alimentación conmutada
Tabla 12: Cálculo teórico de la resistencia de muestreo de corriente del inductor
Tabla 13: Selección del Resistor de Muestreo Inductivo
4.2 Cálculo de la capacitancia de salida en una fuente de alimentación conmutada BUCK sincrónica
(Cálculo de la capacitancia de salida: consultar la fórmula en la Tabla 5)
Tabla 14: Cálculo de la capacitancia de salida en una fuente de alimentación conmutada BUCK sincrónica
En el diseño de una fuente de alimentación conmutada BUCK sincrónica, existe una contradicción entre el rendimiento, volumen y costo de los condensadores del filtro de entrada y salida. Los índices de especificación de capacidad se prueban bajo condiciones específicas; debido a las diferencias en los instrumentos utilizados durante el proceso de prueba, incluso con los mismos índices, puede haber una diferencia del 10 al 50 por ciento. El rendimiento final del diseño debe verificarse durante el proceso de depuración mediante una práctica y pruebas científicas (no existe una solución óptima para el diseño, solo se selecciona la adecuada para el escenario) (No hay una solución óptima para el diseño, solo se elige la que sea adecuada para el escenario).
Los condensadores conmutadores deben cumplir: Capacidad ≥ 320uF (Requisito de overshoot), capacidad del condensador cerámico mayor a 2.435uF (condición no crítica, si es posible cumplirla)
Tabla 15: Selección recomendada de modelos para condensadores del filtro de salida en fuentes de alimentación conmutadas
Tabla 16: Diseño del condensador del filtro de salida para fuente de alimentación conmutada
4.3 Cálculo de la capacitancia de entrada de la fuente LM25149
4.3.1 Cálculos de la capacitancia de entrada
Tabla 17: Cálculos de la capacitancia del filtro de entrada del alimentador conmutado
Tabla 18: Selección del filtro de salida del alimentador conmutado
4.4 Cálculo para la selección del Mosfet LM25149
4.4.1 Cálculos del Mosfet
La hoja de datos del LM25149 no incluye muchos cálculos y cálculos de selección, los cálculos de QG y la selección basada en estimaciones empíricas inversas, los resultados del cálculo seleccionan 4,5-5,0V Vgs, ≤ 22nC, el proceso de cálculo se refiere a la tabla siguiente, seleccione la meseta de Miller de 2-3V (también es aceptable cerca de 3V), Rdson seleccionar ≤ 8mΩ.
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 Cálculos del diseño EMC LM25149
Sin analizar demasiado, consulte la especificación.
5- Resumen del Diseño
5.1 Resumen de selección del diseño del suministro de energía LM25149BUCK
Tabla 22: Diseño y Selección
5.2 Resumen del Programa
El rendimiento y eficiencia de la fuente de alimentación conmutada síncrona se ve afectado por muchos factores, el rendimiento y los indicadores deben tener en cuenta los factores reales, este capítulo se utiliza para cálculos teóricos, orientación teórica sobre el diseño real, el diseño del rendimiento y los indicadores están estrechamente relacionados con el rendimiento de los componentes, las condiciones de uso, el diseño físico, etc., necesitan pruebas y verificación rigurosas.
El diseño de una fuente de alimentación reductora síncrona para el controlador del dominio de alta frecuencia es un campo técnico difícil en la tecnología de diseño de controladores, necesitando equilibrar el rendimiento, el volumen y el costo. Kodak Ka se enfoca en la investigación y desarrollo independiente del inductor; CSEB0660-1R0M es adecuado para el desarrollo y aplicación de la plataforma de alta frecuencia, ofrece una elevada relación calidad-precio, fuerte resistencia a la corriente de saturación, poco calor generado, entre otras ventajas técnicas, además de una proporción potencia-volumen líder en la industria. Kodak Ka se enfoca en I+D tecnológico, innovación y desarrollo de productos excelentes para la industria del inductor, ayudando al desarrollo y aplicación de productos electrónicos.