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El rápido desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía ha impulsado el crecimiento explosivo de diversas cadenas industriales, y la inteligencia automotriz y la conducción autónoma se han convertido en la dirección de competitividad central más importante para los vehículos de nueva energía, generando nuevos desafíos y oportunidades para el cerebro central altamente integrado y el controlador de dominio, especialmente en cuanto a la confiabilidad, alta densidad de potencia, compatibilidad electromagnética (EMC), alta eficiencia y rentabilidad de las fuentes de alimentación conmutadas DC-DC.
Como proveedor de controladores de dominio para cabinas inteligentes, los modelos SA8155 y SA8295 ocupan una posición importante, y la contradicción entre la corriente transitoria, la corriente estable de funcionamiento, la eficiencia en espera, el costo y el diseño EMC del suministro de energía conmutada de la alimentación primaria del SOC de control central de dominio (alimentación convertida desde el nivel primario de entrada de batería) se ha convertido en un gran desafío para el diseño del suministro BUCK. Cómo resolver y equilibrar estas contradicciones es la dirección técnica en la que trabajan conjuntamente los fabricantes de arquitecturas de fuentes conmutadas, chips de alimentación, inductores, MOSFETs y capacitores.
Este artículo trata sobre el diseño de una fuente de alimentación conmutada DC-DC para la fuente de alimentación principal del control centralizado de dominio con gran conmutación dinámica (100-300%), incluyendo el esquema de alimentación, selección de inductores, capacitores y otros métodos de diseño, considerando los desafíos de dimensiones, costos, eficiencia y rendimiento.
Este capítulo toma el controlador de dominio Qualcomm SA8295 como ejemplo para discutir e implementar el diseño práctico de una fuente de alimentación conmutada BUCK de primera etapa.
Este capítulo requiere haber leído la primera serie (teoría y cálculo detallado de fuentes de alimentación BUCK) y diseñar en detalle la fuente de alimentación BUCK basada en LM25149.
Esta serie de artículos consta de tres series (con actualizaciones continuas):
02-Decodificando el Diseño de la Fuente de Alimentación de Primera Etapa del Controlador de Dominio Automotriz Qualcomm: Diseño Esquemático y Diseño de PCB (este capítulo)
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: Los requisitos de diseño más recientes para el SA8295 son 21A (1 NPU) y 24A (2 NPUs), y este diseño puede cubrir (protección contra sobrecorriente de 30A)
1.2 Objetivos de diseño
Este diseño utiliza un Controlador de dominio LM25149 fuente de alimentación de primer grado , que puede cumplir con los requisitos de corriente transitoria de 24A (100 μs) y satisfacer los requisitos de funcionamiento en régimen permanente de más de 10A, logrando así un equilibrio integral entre volumen, costo y rendimiento.
Nota: La corriente transitoria no provoca problemas de generación de calor (para Qualcomm SA8295 solo hay una corriente transitoria de 100 μs); la corriente continua elevada provocará un aumento en la elevación de temperatura, cuyo efecto debe medirse (el diseño se selecciona según las condiciones ambientales reales).
2- Diseño del esquema y PCB
2.1 Selección de componentes clave
Los criterios para la selección de los componentes principales del suministro de energía conmutada del controlador de dominio: en primer lugar el rendimiento, teniendo en cuenta el costo y reduciendo el área de la PCB; considerando el problema EMC y el problema del bucle de corriente de la fuente de alimentación conmutada BUCK, está en línea con la teoría y reglas generales de diseño de fuentes de alimentación conmutadas BUCK, y se puede consultar el método de diseño general.
Para más detalles sobre la selección y cálculo de componentes electrónicos, consulte el Capítulo 1 ( Descifrando el Diseño del Suministro de Energía de Primera Etapa del Controlador de Dominio Automotriz Qualcomm: Diseño y Cálculo de la Fuente de Alimentación )
Opción 2 para este diseño (utilizando ocho condensadores cerámicos empaquetados C1210 de 47uF). El diseño no se limita a esta selección, y el diseño del producto puede ajustarse según la situación real, pudiéndose realizar optimizaciones según 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
La selección del inductor adopta el modelo: VSEB0660-1R0MV
Tabla 4: Selección del inductor
2.1.3 Selección del condensador de filtro de salida para la fuente de alimentación BUCK
Tabla 5: Selección del condensador de filtro de salida para la fuente de alimentación BUCK
2.1.4 Fuente de alimentación BUCK - selección de condensadores de filtro de entrada
Tabla 6: Selección del condensador de filtro de entrada para fuente de alimentación BUCK
2.2 Diseño de esquema y herramientas de diseño PCB
2.2.1 Diseño esquemático y de PCB: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Figura 1 Introducción a Caritron EDA
JLC Technology EDA es la principal herramienta gratuita de desarrollo EDA en China, con funciones potentes y alta eficiencia de desarrollo; este diseño adopta el diagrama esquemático y PCB diseñado con JLC Technology EDA.
2.3 Suministro BUCK - Diseño esquemático
2.3.1 Suministro BUCK - Diseño esquemático
El diseño del principio se basa en la especificación LM25149-Q1 y en la placa de desarrollo oficial, y cumple con la teoría básica de las fuentes de alimentación conmutadas BUCK y con los requisitos de diseño de la fuente de alimentación primaria para controladores de dominio de alta frecuencia.
Figura 2 Diagrama esquemático del LM25149
2.3.2 Fuente de alimentación BUCK - tecnología clave en el diseño esquemático
Circuito EMC de entrada：
Puntos técnicos:
① La función principal de L1 es reducir el impacto del ruido conducido irradiado proveniente de la fuente de alimentación conmutada sobre la fuente de entrada. La frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación es de 2,2 MHz; L1 y C23 forman un circuito filtro LC (C16 es el condensador electrolítico, principalmente para frecuencias bajas inferiores a 500 kHz), y a 2,2 MHz reduce el ruido en 60 dB.
② C21 reduce el ruido de conmutación (ringing en los flancos ascendente y descendente del tubo de potencia), principalmente reduciendo el ruido EMC de 10 a 100 MHz.
③ Si C21 y C23 se utilizan en fuentes de primer nivel (antes de la protección), es necesario elegir el modelo de condensador con terminales flexibles; si está protegido, se puede elegir un condensador de grado automotriz. Un mecanismo de protección similar también puede implementarse utilizando una disposición en serie de dos condensadores.
Se requieren los mismos requisitos para los MOSFET de potencia y los condensadores de desacoplamiento de entrada LM25149; este diseño no se utiliza para la verificación de rendimiento, utilizando un único cerámico, y el diseño a nivel de producto sigue los requisitos de diseño automotriz.
Nota: La cancelación activa de EMC y la tecnología de espectro disperso aleatorio dual LM25419 solo reducen en cierta medida la amplitud de EMC, y la EMC no puede eliminarse por completo; para la frecuencia de conmutación de 2,2 MHz relacionada con la energía, las aplicaciones con corriente alta (≥10 A) aún presentan riesgo de superar el estándar, prevaleciendo la depuración real; si tras eliminar C23 aún se puede pasar la radiación conducida, se puede prescindir del uso de C23 y reducir el costo.
Condensadores de entrada para alimentación BUCK:
① C2, C3 son condensadores de entrada de potencia BUCK, que son cruciales para el rendimiento del suministro de energía conmutada en cuanto a EMC. Los condensadores de 10 µF deben elegirse con una impedancia alrededor de 2 MHz ≤5 mΩ. CGA4J1X8L1A106K125AC y CGA6P1X7S1A476M250AC presentan buenos indicadores técnicos como referencia. En la selección del condensador se puede optar por X7R, tensión soportada de 35 V/50 V; los encapsulados C1210 y C1206 están disponibles. En este diseño se ha seleccionado el encapsulado C1210, lo cual permite una amplia verificación del rendimiento entre modelos.
② C4 es un condensador EMC de conmutación de alta frecuencia; elija X7R de 50 V, encapsulado C0402.
C2, C3, C4: en el diseño de disposición (layout) debe prestarse atención al bucle de corriente (consulte los detalles del layout), cumpliendo así los requisitos básicos de capacitancia de entrada de la fuente de alimentación BUCK y la teoría de diseño. Se recomienda estudiar la teoría de las fuentes de alimentación conmutadas BUCK para profundizar en la comprensión del condensador de entrada.
③ TP7, TP9, TP13 se utilizan para probar las señales TG, BG y SW del interruptor, y se emplean para verificar la razonabilidad del tiempo de zona muerta, el comportamiento de oscilación y el rendimiento de las transiciones ascendente y descendente del MOSFET, lo cual constituye un índice importante de prueba de rendimiento eléctrico de la fuente de alimentación conmutada.
El punto de prueba TP de GND se utiliza para reducir el bucle de tierra de la prueba del osciloscopio y mejorar la precisión de la medición, por lo que en el LAYOUT debe considerarse colocar el punto de prueba lo más cercano posible a la señal de prueba relevante.
Resistencia de accionamiento de la puerta del MOSFET:
① R1 y R2 son las resistencias de accionamiento de la compuerta del MOSFET, las cuales tienen un impacto importante en las transiciones ascendente y descendente del MOSFET de potencia.
② La selección de R1 y R2 se ve afectada por razones combinadas de la corriente de salida del controlador de potencia BUCK controlado (controlador (resistencia PULL y PUSH), impedancia de compuerta y características de carga del MOSFET de potencia (capacitancia de entrada CISS), y la resistencia total de toda la resistencia se selecciona ≤ 10 ohmios en el diseño inicial, lo cual también depende de las características de carga, y necesita ser ajustado finamente para seleccionar el valor de resistencia adecuado.
③ R1 y R2 también son los parámetros clave que más afectan al ruido de conmutación EMC, así como a los factores centrales del circuito que influyen en las pérdidas por conmutación.
Nota: se utilizan 6 puntos de prueba para evaluar las características del interruptor y el tiempo muerto.
Bucle de potencia de salida:
① Selección del inductor: La selección del inductor considera principalmente dos factores:
- Corriente de trabajo transitoria: Capaz de salida transitoria de 24A (tiempo: 100 μs);
- Corriente de trabajo en estado estacionario: 10A, capaz de funcionar establemente a una corriente de 10A (cubriendo condiciones de temperatura ambiente de 85℃)
-La duración de la corriente operativa transitoria es ≤ 100 us, y ocurre durante la fase de arranque, y solo se cumplen los requisitos bajo la condición de que la inductancia no esté saturada (cumpliendo con el valor de inductancia de la corriente).
② Selección de la resistencia de muestreo: La resistencia de muestreo se selecciona en paquete R1206, y su potencia de disipación térmica ≥ 0,5 W;
③ Selección de los condensadores: Consulte: capítulo del condensador de filtro de salida en la primera parte del capítulo;
Circuito de retroalimentación:
LM25149 tiene configuración de salida fija y configuración de retroalimentación de salida, cuyo contenido detallado se encuentra en el libro de especificaciones;
① R14l conectada a VDDA, salida 3.3V
② R14=24.9K, salida 5.0V
③ R14=49.9K, salida 12.0V
El voltaje de salida se configura con R14, R9 y R10 en la etiqueta en blanco;
R19 y los puntos reservados TP3, TP4: para pruebas, margen de fase, frecuencia de cruce, etc.
Nota: TP3 y TP4 se utilizan para probar el margen de fase, la frecuencia de cruce, etc.
Configuraciones de función:
① EN: señal de habilitación, enciende la alimentación ≥ 1,0 V, puede protegerse mediante una tensión baja de precisión;
② Sync-PG: Salida sincronizada o Power Good, este diseño es para Power Good;
③ PFM/SYNC
-Jumpers predeterminado (NC): diodo analógico, salida de corriente pequeña, puede funcionar con alta eficiencia;
-Jumper de cortocircuito a GND, modo CCM forzado;
④ Configuración del modo de funcionamiento del chip: un total de 5 modos de funcionamiento (consulte el libro de especificaciones).
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: tecnología clave para el diseño de PCB
Lazos de condensadores de entrada y salida:
① Los condensadores de entrada y salida de la fuente de alimentación BUCK mantienen un lazo mínimo, lo cual tiene un impacto importante en la EMC;
② C4 se utiliza principalmente para absorber el ruido de ringin en los flancos de subida y bajada del interruptor.
Lazos de MOSFET e inductor:
① El uso de MOSFETs dobles reduce el área de disposición y los costos, y la desventaja es que el Layout SW no puede mantener el lazo mínimo;
② El punto SW del MOSFET 2 en 1 no puede realizar el seguimiento de trazas en la misma capa del PCB, y se necesita cambiar la capa de disposición para lograr una corriente de potencia continua.
Corriente de muestreo:
① La corriente de muestreo debe ser trazas diferenciales, y debe haber un plano de referencia GND;
② No es necesario controlar la impedancia ni la igualdad de longitud, y las trazas deben mantener 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:
Dispositivos de calentamiento: los MOSFET, inductores y resistencias de detección pueden aumentar adecuadamente la conducción térmica en el área del plano, y aumentar los vías de GND puede ayudar a mejorar las condiciones de disipación de calor de toda la placa.
diseño de fuente de alimentación BUCK de primera etapa con control por dominios - resumen
3.1 Dibujo 3D
figura 3D-1
figura 3D-2
3.2 Resumen del Diseño
① El diseño del convertidor conmutado adopta una configuración de 4 capas, grosor del PCB de 1.6 mm y tamaño de 30x65 mm;
② La corriente de salida puede satisfacer la corriente transitoria máxima del Qualcomm SA8295 de 24 A y admite una capacidad de salida en estado estable superior a 10 A.
4- Acerca de Codaca Electrónica
Codaca se centra en la I+D independiente, diseño y fabricación de inductores, y el VSEB0660-1R0M es adecuado para el desarrollo y aplicación de plataformas Qualcomm. Cuenta con ventajas técnicas como alto rendimiento costo-beneficio, fuerte capacidad anti-saturación de corriente y baja generación de calor, además de poseer una relación potencia-volumen líder en la industria. Codaca se enfoca en la investigación y desarrollo tecnológico, la innovación tecnológica, desarrolla productos excelentes para la industria de inductores y contribuye al desarrollo y aplicación de productos electrónicos.
5- Pruebas y Verificación
Para pruebas y verificaciones posteriores, por favor consulte: 03- Descifrando el diseño de la fuente de alimentación de primera etapa del controlador de dominio automotriz Qualcomm: análisis de medición de pruebas de rendimiento .
[Referencia]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E