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 más importante dentro de la competitividad central de los vehículos eléctricos, trayendo nuevos desafíos y oportunidades para la confiabilidad de las fuentes de alimentación conmutadas DC-DC, alta densidad de potencia, compatibilidad electromagnética (EMC) de fuentes de alimentación conmutadas, alta eficiencia y rentabilidad.
Qualcomm como proveedor del controlador del dominio de la cabina inteligente, los modelos SA8155 y SA8295 ocupan una posición importante; la fuente de alimentación de nivel 1 del SOC de control centralizado (fuente de alimentación convertida desde el nivel de entrada de la batería) presenta un desafío enorme en términos de corriente transitoria, corriente estable de funcionamiento, eficiencia operativa en espera, costo y contradicciones entre el diseño EMC del suministro de conmutación. Cómo resolver y equilibrar estas contradicciones es la dirección tecnológica en la que trabajan conjuntamente los fabricantes de arquitecturas de fuentes de conmutación, chips de alimentación, inductores, Mosfet y condensadores.
En este artículo, se explora el diseño de una fuente de alimentación conmutada DC-DC para aplicaciones automotrices de control centralizado de dominio nivel 1 con grandes corrientes dinámicas de conmutación (100-300%), incluyendo esquema de alimentación, selección de inductores, capacitores y otros métodos de diseño, teniendo en cuenta desafíos relacionados con volumen, costo, eficiencia y rendimiento, enfocándose en un diseño práctico aplicable al mundo real.
Tomando como ejemplo el controlador de dominio Qualcomm SA8295, este capítulo discute e implementa un diseño realista de una fuente de alimentación conmutada BUCK principal.
Este capítulo requiere un conocimiento profundo de la primera parte de esta serie (detallando teoría y cálculos de fuentes de alimentación BUCK conmutadas), y continúa con el diseño detallado de una fuente BUCK basada en el LM25149.
Esta serie de artículos contiene tres partes (actualizaciones continuas posteriores):
01-Descifrando el Diseño de la Fuente de Alimentación Nivel 1 en Controladores de Dominio Automotriz Qualcomm: Diseño y Cálculo de Fuentes de Alimentación (Publicado)
02-Decifrando el Diseño del Nivel 1 de la Fuente de Alimentación del Controlador de Dominio Automotriz Qualcomm: Diseño Esquemático y Diseño PCB (este capítulo )
03-Decifrando el Diseño del Nivel 1 de la Fuente de Alimentación del Controlador de Dominio Automotriz Qualcomm: Análisis de Medición de Pruebas de Rendimiento (próximamente)
1- Objetivos y Desafíos del Diseño
1.1 Requisitos de Corriente Transitoria SA8295
Tabla 1: Requisitos de Diseño de la Fuente de Alimentación SA8295
Nota: El diseño más reciente requiere 21A (1 NPU) y 24A (2 NPUs), que este diseño puede cubrir (protección contra sobrecorriente de 30A)
1.2 Objetivos del diseño
Este diseño utiliza el LM25149 para diseñar la fuente de alimentación principal para el controlador de dominio , capaz de soportar una corriente transitoria de 24A (100µs) y cumpliendo con el requisito de operación en estado estable superior a 10A, logrando un equilibrio entre tamaño, costo y rendimiento.
Nota: La corriente transitoria no representa un problema térmico (para el Qualcomm SA8295, la corriente transitoria dura solamente 100µs). Sin embargo, una corriente en estado estable elevada puede provocar un aumento significativo de temperatura, por lo que debe evaluarse el impacto del desempeño térmico (la solución de diseño debe seleccionarse en función de las condiciones ambientales reales).
2- Diseño del esquema y PCB
2.1 Selección de componentes clave
Criterios para la selección de componentes en fuentes de alimentación conmutadas a nivel de controlador de dominio: prioridad al rendimiento, considerando el costo y reduciendo el área de la PCB; tener en cuenta problemas de EMC y bucle de corriente en fuentes de alimentación conmutadas tipo BUCK, siguiendo la teoría y reglas generales de diseño de fuentes de alimentación conmutadas tipo BUCK, pudiéndose referir a metodologías generales de diseño.
Véase el Capítulo 1 para obtener más información sobre la selección y cálculos de componentes electrónicos (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)
Este diseño selecciona la opción 2 (utilizando ocho condensadores cerámicos de 47uF en paquete C1210). El diseño no se limita a esta selección, el diseño del producto puede ajustarse según las condiciones reales del modelo, y la optimización del diseño puede realizarse basándose en los resultados reales de las pruebas.
Tabla 2: Fuente de alimentación BUCK - Diseño del esquema
2.1.1 Fuente de alimentación BUCK - Selección del MOSFET
Tabla 3: Fuente de alimentación BUCK - Selección del MOSFET
2.1.2 Fuente de alimentación BUCK - Selección del inductor
Selección del inductor utilizando el número de modelo: VSEB0660-1R0MV
Tabla 4: Selección del inductor
2.1.3 Fuente de alimentación BUCK - Selección del condensador de filtro de salida
Tabla 5: Fuente de alimentación BUCK - Selección del condensador de filtro de salida
2.1.4 Selección del condensador de filtro de entrada del suministro BUCK
Tabla 6: Suministro BUCK - Selección del condensador de filtro de entrada
2.2 Diseño de esquema y herramientas de diseño PCB
2.2.1 Diseño de esquema y PCB: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Figura 1 Introducción a Caritron EDA
Jialitron EDA es una herramienta gratuita líder en desarrollo EDA, potente y eficiente; este diseño utiliza Jialitron EDA para diseñar el esquema y el PCB.
2.3 Suministro BUCK - Diseño esquemático
2.3.1 Suministro BUCK - Diseño esquemático
El diseño esquemático hace referencia a la hoja de datos del LM25149-Q1 y al tablero de desarrollo oficial, y el diseño cumple con la teoría básica del suministro de potencia BUCK y los requisitos de diseño de fuente de alimentación primaria del controlador de dominio alto.
Figura 2 Esquema LM25149
2.3.2 Fuente de Alimentación BUCK - Tecnología Centrada en el Diseño Esquemático
Circuito EMC del puerto de entrada：
Puntos Técnicos:
① El papel principal de L1 es reducir el impacto del ruido de conducción y radiación de la fuente de alimentación conmutada sobre la alimentación de entrada. La frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación conmutada es de 2,2 MHz. L1 y C23 forman un circuito de filtro LC (C16 es un condensador electrolítico para bajas frecuencias por debajo de 500 kHz), que reduce a 60 dB el ruido a 2,2 MHz.
② C21 reduce el ruido de conmutación (ringing en los flancos de subida y bajada del transistor de potencia) y principalmente disminuye el ruido EMC entre 10-100 MHz.
③ Si C21 y C23 están antes de la protección de una fuente de alimentación, se debe seleccionar un tipo de condensador con terminales flexibles; si están protegidos, se pueden elegir condensadores de especificación automotriz. También se pueden usar dos condensadores en serie con una disposición ortogonal para lograr un mecanismo de protección similar.
Para los MOSFETs de potencia y la capacitancia de entrada del LM25149, la capacitancia de desacoplamiento tiene los mismos requisitos; este diseño no se utiliza para verificación de rendimiento, utilizar una sola cerámica, el diseño a nivel de producto debe seguir los requisitos de diseño automotriz.
Nota: Tecnología activa LM25419 para eliminación de EMC y espectro disperso doble aleatorio, solo reduce en cierta medida la amplitud de EMC, pero no puede eliminar completamente la EMC. Para aplicaciones relacionadas con energía a la frecuencia de conmutación de 2,2 MHz y corriente alta (≥ 10A), existe el riesgo de exceder los estándares. Esto dependerá de la depuración real: si al retirar C23 aún es posible pasar la radiación mediante conducción, se podrá prescindir del uso de C23, reduciendo así el costo.
Condensadores de entrada para alimentación BUCK:
① C2, C3 para la capacitancia de entrada de potencia BUCK, para el rendimiento EMC de la fuente de alimentación conmutada es crítico, selección de capacitancia de 10uF a 2MHz con impedancia cercana ≤ 5mΩ, CGA4J1X8L1A106K125AC y CGA6P1X7S1A476M250AC tienen buenas especificaciones técnicas para referencia, en la selección de capacitancia se puede elegir X7R, tensión soportada de 35V/50V, paquetes C1210 y C1206 son viables. Este diseño selecciona el paquete C1210, lo cual permite tener más modelos para verificar el desempeño.
② C4 para condensadores EMC de conmutación de alta frecuencia, seleccione X7R a 50V, el paquete C0402 es adecuado.
C2, C3, C4, en el diseño del Layout debe prestar atención al bucle de corriente (consulte los detalles del Layout), cumpliendo con los requisitos básicos y teoría de diseño de capacitancia de entrada de potencia BUCK, se recomienda aprender la teoría de las fuentes de alimentación conmutadas BUCK para profundizar en la comprensión de la capacitancia de entrada.
③ TP7, TP9, TP13 se utilizan para probar las señales de conmutación TG, BG y SW, utilizadas para probar la razonabilidad del tiempo muerto, el rendimiento de oscilación y el rendimiento de los bordes de subida y bajada del MOSFET; son indicadores importantes de pruebas eléctricas en fuentes de alimentación conmutadas.
El punto de prueba TP de GND se utiliza para reducir el bucle de tierra del osciloscopio durante las pruebas y mejorar la precisión de las mediciones; en el diseño físico (LAYOUT) debe colocarse lo más cerca posible al punto de prueba de las señales relacionadas.
Resistencia de accionamiento de la puerta del MOSFET:
① R1 y R2 son resistencias de accionamiento de la puerta del MOSFET, las cuales tienen un efecto importante sobre los bordes de subida y bajada del MOSFET de potencia.
② La selección de R1 y R2 está controlada por la corriente de salida del controlador de potencia BUCK (factores combinados del controlador (resistencias PULL y PUSH), impedancia y características de carga del MOSFET de potencia (capacitancia de entrada CISS)), lo que influye en la elección inicial del diseño total de la suma de resistencias ≤ 10 ohmios, pero también depende de las características de carga, requiriendo ajustes finales y la selección del valor resistivo adecuado.
③ R1 y R2 son también los parámetros más críticos para el ruido de conmutación EMC, al mismo tiempo que afectan factores clave del circuito en cuanto a pérdidas de conmutación; en aplicaciones prácticas se debe encontrar un equilibrio entre eficiencia (calentamiento del MOSFET) y contradicciones EMC logrando un punto óptimo.
Nota: 6 puntos de prueba para evaluar las características de conmutación y el tiempo muerto.
Bucle de potencia de salida:
① Selección de inductancia: La selección de inductancia se basa en dos consideraciones principales:
-Corriente operativa transitoria: capaz de entregar una salida transitoria de 21 (24) A (tiempo: 100 us);
-Corriente de funcionamiento en estado estacionario: 10A, capaz de trabajar establemente a una corriente de 10A (cubriendo condiciones de temperatura ambiente de 85°);
-Duración de la corriente de funcionamiento transitoria ≤ 100us y ocurre durante la fase de arranque; solo es necesario asegurar que el inductor no se sature para cumplir con los requisitos (cumplir con el valor de inductancia para la corriente).
② Selección de resistencia de muestreo: seleccione una resistencia de muestreo en paquete R1206, disipación térmica ≥ 0.5W;
③ Selección de capacitores: ver referencia: primera parte del capítulo sobre capacitancia de filtro de salida;
Circuito de retroalimentación:
El LM25149 tiene una configuración de salida fija y una configuración de retroalimentación de salida; consulte la hoja de datos para obtener más detalles;
① R14l conectada a VDDA, salida 3.3V
② R14=24.9K, salida 5.0V
③ R14=49.9K, salida 12.0V
No colocar R14, configure el voltaje de salida con R9 y R10;
R19 y TP3, TP4 reservados: para pruebas, margen de fase, frecuencia de cruce, etc.
Nota: TP3 y TP4 se utilizan para pruebas, margen de fase, frecuencia de cruce, etc.
Configuración de Función:
① EN: Señal de habilitación, ≥1.0V enciende la alimentación, puede usarse para protección precisa contra caídas de tensión;
② Sync-PG: Salida sincrónica o Alimentación correcta (Power Good), este diseño se utiliza para Alimentación correcta;
③ PFM/SYNC
-Jumpers por defecto (NC): Análogo de diodo, salida de corriente pequeña, puede funcionar con alta eficiencia;
-Puente en cortocircuito a GND, fuerza el modo CCM;
④ Configuración del modo de funcionamiento del chip: un total de cinco modos de operación (consulte la especificación)
2.4 Fuente de alimentación BUCK - Diseño PCB
2.4.1 Fuente de alimentación BUCK - Diseño de PCB
① -TOP
② -GND
③ -Señal
④ -Bottom
2.4.2 Fuente de alimentación BUCK - Enfoque del diseño de PCB en la tecnología
Bucles de capacitancia de entrada y salida:
① La capacitancia de entrada y la capacitancia de salida de la fuente de alimentación BUCK deben mantener un bucle mínimo, lo cual tiene un impacto importante en la compatibilidad electromagnética (EMC);
② C4 se utiliza principalmente para absorber el ruido oscilante de los flancos de conmutación de subida y bajada.
Bucles de MOSFETs e inductancias:
① El uso de MOSFETs combinados reduce el área del diseño y disminuye los costos, pero como desventaja, el punto SW del Layout no puede mantener el bucle mínimo;
② El punto SW del MOSFET combinado no puede lograr el enrutamiento en la misma capa del PCB, y necesita cambiar de capa para realizar el relleno plano con el fin de garantizar la continuidad de la corriente de alimentación.
Corriente de muestreo:
① La corriente de muestreo requiere un enrutamiento diferencial con un plano de masa (GND) de referencia;
② No se requiere control de impedancia ni igual longitud, y el enrutamiento mantiene el espaciado mínimo del diseño.
Retroalimentación FB:
Las resistencias y otros componentes deben estar cerca de los pines del circuito integrado de control.
Disipación de calor y GND:
Componentes que generan calor: MOSFETs, inductores y resistencias de muestreo; se puede aumentar adecuadamente el área del plano para disipar el calor, y aumentar las perforaciones de GND puede ayudar a mejorar las condiciones de disipación de calor de toda la placa.
3- Diseño de fuente de alimentación BUCK nivel 1 controlada por dominios - Resumen
3.1 Dibujo 3D
figura 3D-1
figura 3D-2
3.2 Resumen del Diseño
① El diseño de la fuente de alimentación conmutada adopta un diseño de 4 capas con un espesor de PCB de 1.6 mm y un tamaño de 30X65 mm;
② La corriente de salida puede satisfacer el máximo de 24A de corriente transitoria del Qualcomm SA8295, soporta una capacidad de salida en estado estable de 10A o más.
4- Acerca de Codaca Electrónica
Codaca se centra en I+D independiente, diseño y fabricación de inductores, VSEB0660-1R0M es adecuado para el desarrollo y aplicación de la plataforma Qualcomm. Cuenta con las ventajas técnicas de alto rendimiento precio, alta resistencia a la corriente de saturación, baja generación de calor y una relación potencia-volumen líder en la industria. Codaca se centra en investigación y desarrollo tecnológico, innovación tecnológica y desarrollo de productos destacados para la industria de inductores, con el objetivo de impulsar el desarrollo y aplicación de productos electrónicos.
5- Pruebas y Verificación
Para la verificación de pruebas posteriores, consulte: 03-Decodificando el nivel 1 del diseño del suministro de energía del controlador de dominio automotriz de Qualcomm: Análisis de medición de prueba de rendimiento (próximamente)
[Referencia]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
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