رمزگشایی از طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترلر دامنه خودروی کوالکام: طراحی و محاسبه منبع تغذیه

رشد سریع صنعت خودروهای انرژی جدید، رشد انفجاری در زنجیره‌های صنعتی مختلف را به همراه داشته است. هوشمندسازی خودرو و رانندگی خودکار به جهت‌های رقابتی حیاتی خودروهای انرژی جدید تبدیل شده‌اند و چالش‌ها و فرصت‌های جدیدی را برای مغزهای مرکزی با ادغام بالا و کنترلرهای دامنه فراهم کرده‌اند، به‌ویژه از نظر قابلیت اطمینان، چگالی توان بالا، EMC منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC، بازده بالا و عملکرد هزینه-کارایی بالا.

شرکت کوالکام به عنوان تأمین‌کنندهٔ کنترل‌گرهای دامنهٔ کاکپیت هوشمند، با تراشه‌های SA8155 و SA8295 جایگاه قابل توجهی دارد. تعارض بین جریان گذرا، جریان پایدار در حالت کاری، بازده توان در حالت آماده‌باش، هزینه و طراحی الکترومغناطیسی (EMC) منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) در مدار اصلی تغذیه SOC کنترل‌گر دامنه مرکزی (تبدیل اولیه توان از ورودی باتری) چالش بزرگی در طراحی منبع تغذیه BUCK محسوب می‌شود. نحوهٔ حل و تعادل این تعارض‌ها، جهت فنی است که در آن معماری منبع تغذیه سوئیچینگ، تراشه‌های توان، سیم‌پیچ‌ها، ترانزیستورهای MOSFET و خازن‌ها باید به‌صورت هماهنگ عمل کنند.

این مقاله ترکیبی از طراحی منبع تغذیه اصلی کنترل‌کننده دامنه مرکزی برای کاربردهای خودرویی با جریان منبع تغذیه سوئیچینگ دینامیکی بزرگ (100-300%) را ارائه می‌دهد و به بررسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ DC-DC، از جمله راه‌حل‌های تغذیه، روش‌های انتخاب سلف و خازن می‌پردازد. همچنین طراحی عملی را در شرایط چالش‌های حجم، هزینه، بازده و عملکرد مورد بحث و پیاده‌سازی قرار می‌دهد.

این مقاله با استفاده از کنترل‌کننده دامنه کوالکام SA8295 به عنوان مثال، به بررسی و پیاده‌سازی طراحی عملی منبع تغذیه سوئیچینگ اصلی BUCK می‌پردازد.

این مجموعه مقالات شامل سه بخش است (به‌صورت مداوم به‌روزرسانی خواهد شد):

01- رمزگشایی طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترل‌کننده دامنه خودرویی کوالکام: طراحی و محاسبه منبع تغذیه (این فصل)

02- رمزگشایی از طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترلر دامنه خودروی کوالکام: طراحی شماتیک و طراحی برد مدار چاپی (PCB)

03- رمزگشایی طراحی منبع تغذیه سطح یک کنترل‌کننده دامنه خودرویی کوالکام: تحلیل اندازه‌گیری آزمون عملکرد

1- اهداف و چالش‌های طراحی

1.1 نیازمندی‌های جریان گذرا برای SA8295

جدول 1: نیازمندی‌های طراحی توان SA8295

1.2 الزامات جریان استندبای SA8295

مصرف توان در حالت استندبای منبع تغذیه 3.3 ولت SOC کوالکام در محدوده 4 تا 7.5 میلی‌آمپر (شامل مصرف خودتازه‌سازی حافظه) است، همچنین پشتیبانی از بیدارشدگی در حالت استندبای را دارد.

مصرف کلی جریان وسیله نقلیه توسط مغز مرکزی (کنترل‌کننده دامنه کابین) ۷ تا ۱۰ میلی‌آمپر (در ۱۳٫۵ ولت)، ماژول ۴G/5G به تنهایی ۴ تا ۵ میلی‌آمپر مصرف می‌کند، جریان Qualcomm SA8295 در ۱۳٫۵ ولت برابر با ۳ میلی‌آمپر (۴۰ میلی‌وات) یا کمتر است.

1.3 سه چالش اصلی

چالش ۱٫۳٫۱: خروجی جریان منبع تغذیه سوئیچینگ کنترل‌کننده دامنه Qualcomm SA8295

جریان گذرا بزرگ، ۳٫۳ ولت، ۱۸ آمپر (۰٫۱ میلی‌ثانیه)، ۰٫۱ میلی‌ثانیه برای خروجی پایدار منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC دوره طولانی محسوب می‌شود و نیازمند طراحی منبع تغذیه باک برای خروجی پایدار ۱۸ آمپر است.

1.3.2 چالش ۲: عملکرد پویای منبع تغذیه سوئیچینگ کنترل‌کننده دامنه باکیفیت بالا SA8295

جریان کاری حالت پایدار کنترل‌کننده دامنه SA8295 برابر ۵ تا ۹ آمپر است که این امر باعث ایجاد اختلاف جریان کاری پایدار بیش از ۳۰۰٪ در القاگر منبع تغذیه سوئیچینگ می‌شود (القا معکوس با جریان نامی نسبت دارد) که در حجم، هزینه و فرکانس منجر به تضادهای قابل توجهی می‌گردد.

1.3.3 چالش ۳: راندمان توان کم منبع تغذیه سوئیچینگ کنترل‌کننده دامنه باکیفیت بالا SA8295

مصرف توان در حالت آماده‌باش، با راندمانی حدود 70٪ در 13.5 ولت و 3 میلی‌آمپر، چالش بزرگی برای معماری کنترل‌کننده منبع تغذیه و طراحی انتخاب القاگر است.

این طراحی بر اساس چالش طراحی حداکثری منبع تغذیه اصلی SA8295 انجام شده و به بررسی مشکلات اساسی راه‌حل‌های فناوری منابع تغذیه سوئیچینگ و DC-DC می‌پردازد.

2- مقایسه انتخاب راه‌حل

2.1 نیازمندی‌های فنی منبع تغذیه Qualcomm SA8295 در کنترل دامنه

همان‌طور که در جدول 2 نشان داده شده است:

جدول 2: الزامات فنی طراحی توان Qualcomm SA8295

2.2 طرح طراحی و اسناد فنی

MPQ2918، MPQ2930، LM25141-Q1، MAX20098، LTC7803، LM25149-Q1 و غیره همگی می‌توانند نیازهای طراحی را برآورده کنند. این طراحی از LM25149-Q1 به عنوان طرح منبع تغذیه اصلی کنترل‌کننده دامنه مرکزی برای این پروژه استفاده می‌کند.

2.2.1 آدرس رسمی LM25149-Q1:

https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1

جدول 3: مواد مرجع طراحی LM25149-Q1

2.2.2 مشخصات فنی LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-V خودرویی، سنکرون، باک، کنترلر DC/DC با مصرف برق بسیار پایین و فیلتر EMI فعال ادغام‌شده - دیتاشیت (نسخه B)

2.2.3 برد توسعه LM25149-Q1:

راهنمای کاربر برد ارزیابی LM25149-Q1 (نسخه A) (ti.com.cn)

2.2.4 پایداری و عملکرد فیلتر فعال:

چگونگی تضمین پایداری و عملکرد فیلترهای EMI فعال (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 ابزارهای طراحی :

ابزار محاسباتی LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com

3- طراحی و محاسبه منبع تغذیه باک سنکرون

3.1 مشخصات اصلی و پارامترهای طراحی LM25149

جدول 4: الزامات مشخصات فنی طراحی توان Qualcomm SA8295

کارایی

فیلترهای فعال EMI

تست EMI

طرح مدار منبع طراحی مرجع

برد ارزیابی راه‌حل طراحی مرجع

3.2 محاسبه انتخاب سلف LM25149 کاهنده همگام

3.2.1 فرمول محاسبات منبع تغذیه کاهنده همگام با سوئیچینگ:

جدول 5: فرمول‌های محاسبه طراحی منبع تغذیه BUCK همگام

3.3 محاسبه حداقل سلف

(فرمول محاسبه، به جدول 5 مراجعه کنید.)

جدول 6: نمودار منحنی محاسبه حداقل اندوکتانس (∆I=0.3)

جدول 7: محاسبه حداقل اندوکتانس

3.3.1 خلاصه داده‌های محاسبه اندوکتانس:

① اگر طراحی در محدوده 6-20A (محاسبه AI=0.3) باشد، با ورودی 16V و خروجی 6A، مقدار سلف باید ≥0.69μH باشد.

② محاسبه تئوری اندوکتانس منبع تغذیه سوئیچینگ Lmin: ≥ 0.69μH (تئوری);

③ با در نظر گرفتن انتخاب واقعی در طراحی و تحمل ±20% برای سلف، مقادیر 0.82μH و 1.0μH به عنوان بهترین گزینه انتخاب می‌شوند (افزایش مقدار اندوکتانس منجر به افزایش اندازه و هزینه سلف و کاهش SRF می‌شود).

3.4 محاسبات جریان سلف

(فرمول: به جداول 5، موارد 1 و 2 مراجعه کنید)

جدول 8: محاسبه جریان سلف 0.82μH

جدول 9: محاسبه جریان سلف 1.0μH

3.4.1 جریان اشباع سلف محاسبه شده نظری ≥ 20.76A، که به صورت گرد شده برابر 21A است:

جدول 10: مشخصات سلف

4- انتخاب سلف برای منبع تغذیه سوئیچینگ

جدول 11: انتخاب سلف

4.1 محاسبه مقاومت نمونه‌برداری جریان منبع تغذیه سوئیچینگ برای LM25149

جدول 12: محاسبه نظری مقاومت نمونه‌برداری جریان

جدول 13: انتخاب مقاومت نمونه‌برداری جریان

4.2 محاسبه خازن خروجی برای منبع تغذیه سوئیچینگ سنکرون BUCK

(محاسبه خازن خروجی: به معادله ارائه شده در جدول 5 مراجعه کنید)

جدول 14: محاسبه خازن خروجی برای منبع تغذیه سوئیچینگ سنکرون BUCK

در طراحی‌های منبع تغذیه سوئیچینگ باک هم‌زمان، تعادلی بین عملکرد، اندازه و هزینه خازن‌های فیلتر ورودی و خروجی وجود دارد. آزمون مشخصات خازن در شرایط خاصی انجام می‌شود و تغییرات در تجهیزات اندازه‌گیری در حین آزمون ممکن است برای مشخصات یکسان، اختلافی در حد ۱۰ تا ۵۰ درصد ایجاد کند. عملکرد نهایی طراحی نیازمند اعتبارسنجی علمی و آزمون از طریق فرآیند عیب‌یابی است (راه‌حل بهینه واحدی وجود ندارد؛ تنها انتخاب یک راه‌کار مناسب برای کاربرد خاص مورد نظر امکان‌پذیر است).

خازن‌های سوئیچ باید در شرایط زیر صدق کنند: ظرفیت ≥ 320uF (شرایط لازم برای اضافه‌ولتاژ)، ظرفیت خازن سرامیکی بیشتر از 2.435uF (شرایط اصلی نیست، کافی است شرط برقرار باشد).

جدول 15: انتخاب پیشنهادی مدل‌های خازن فیلتر خروجی برای منبع تغذیه سوئیچینگ

جدول 16: طراحی خازن‌های فیلتر خروجی برای منابع تغذیه سوئیچینگ

4.3 محاسبه خازن ورودی برای منبع تغذیه LM25149

4.3.1 محاسبات ظرفیت ورودی

جدول 17: محاسبه خازن فیلتر ورودی برای منبع تغذیه سوئیچینگ

جدول 18: انتخاب فیلترهای خروجی برای منابع تغذیه سوئیچینگ

4.4 محاسبه انتخاب ماسفت LM25149

4.4.1 محاسبه MOSFET

در دیتاشیت LM25149 بسیاری از محاسبات و انتخاب‌های مربوطه گنجانده نشده است. محاسبات و انتخاب‌های QG مبتنی بر تخمین‌های تجربی و استنتاج معکوس هستند. نتایج محاسباتی مقداری در حدود 4.5-5.0 ولت برای Vgs و ≤22 نانوکولن را نشان می‌دهد. فرآیند محاسبه در جدول زیر نمایش داده شده است. پلتفرم میلر برابر 2-3 ولت انتخاب شده است (نزدیک به 3 ولت نیز قابل قبول است) و Rdson کمتر یا مساوی 8 میلی‌اهم در نظر گرفته شده است.

جدول 19: انتخاب و محاسبات ماسفت

4.5 پیشنهادات انتخاب ماسفت

جدول 20: مدل‌های انتخاب ماسفت

4.6 محاسبات FB و جبران‌سازی LM25149

جدول 21: محاسبات FB و جبران‌سازی

4.7 محاسبه طراحی EMC برای LM25149

بدون ورود به تحلیل‌های زیاد، به مشخصات مراجعه کنید.

5- خلاصه طراحی

5.1 خلاصه‌ای از طراحی و انتخاب منبع تغذیه BUCK با LM25149

جدول 22: طراحی و انتخاب

5.2 خلاصه‌ای از راه‌حل

عملکرد و بازدهی منابع تغذیه سوئیچینگ سنکرون تحت تأثیر عوامل متعددی قرار دارند. عملکرد و مشخصات باید عوامل عملی را در نظر بگیرند. این فصل برای محاسبات نظری به منظور ارائه راهنمایی نظری برای طراحی عملی استفاده می‌شود. عملکرد و مشخصات طراحی به شدت به عملکرد قطعات، شرایط استفاده، چیدمان و غیره وابسته هستند و نیازمند آزمایش‌ها و بررسی‌های دقیق می‌باشند.

طراحی منبع تغذیه باک هم‌زمان برای کنترلرهای دامنه کوالکام حوزه چالش‌برانگیزی در طراحی کنترلر است که نیازمند تعادل بین عملکرد، اندازه و هزینه می‌باشد. شرکت کوداکا بر روی تحقیق و توسعه مستقل در زمینه طراحی سیم‌پیچ‌های تغذیه و سلف‌های حالت مشترک تمرکز دارد. قطعه CSEB0660-1R0M برای توسعه و کاربردهای پلتفرم کوالکام مناسب است و از بهره‌وری هزینه بالا، مقاومت قوی در برابر جریان اشباع، تولید حرارت کم و نسبت توان به حجم در حد پیشروی صنعت برخوردار است. کوداکا متعهد به تحقیق، توسعه و نوآوری فناوری است و محصولات برجسته‌ای را برای صنعت سیم‌پیچ توسعه می‌دهد و به پیشرفت و کاربرد محصولات الکترونیکی کمک می‌کند.