توسعه سریع صنعت خودروهای انرژی جدید، رشد بی‌سابقه‌ای در هر زنجیره صنعتی به همراه داشته است. هوشمندسازی خودرو و رانندگی خودمختار به مهم‌ترین قابلیت رقابتی اصلی خودروهای انرژی جدید تبدیل شده‌اند و این امر تحولات جدیدی را برای مغز مرکزی ادغام‌شده و کنترل‌کننده دامنه به وجود آورده است که به‌ویژه در زمینه قابلیت اطمینان منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC، چگالی توان بالا، EMC منبع تغذیه سوئیچینگ، بهره‌وری بالا و مقرون‌به‌صرفه بودن، فرصت‌ها و چالش‌های جدیدی را رقم زده است.
کوالکام به عنوان تأمین‌کننده کنترل‌گر دامنه هوشمند کاپوت، SA8155 و SA8295 اهمیت بالایی دارند. طراحی منبع تغذیه سطح 1 (تغذیه تبدیل شده از ورودی باتری سطح 1) در رابطه با جریان گذرا، جریان عملیاتی پایدار، بازده عملیاتی در حالت آماده‌باش، هزینه و تضاد با طراحی EMC منبع تغذیه سوئیچینگ به چالش بزرگی در طراحی منبع تغذیه BUCK تبدیل شده است. نحوه حل و تعادل این تضادها، جهت فنی طراحی معماری منبع تغذیه سوئیچینگ، تراشه تغذیه، سلف، Mosfet و خازن با هم است.
این مقاله ترکیبی از طراحی منبع تغذیه مرکزی خودرویی در سطح کنترل دامنه با جریان پویای بزرگ (100-300%) را بررسی می‌کند و به بررسی طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC می‌پردازد، از جمله روش‌های طراحی مربوط به انتخاب اندوکتور، خازن و سایر عناصر؛ همراه با در نظر گرفتن چالش‌های حجم، هزینه، بهره‌وری و عملکرد به منظور دستیابی به طراحی عملی و قابل اجرا.
در این مقاله، طراحی واقعی یک منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK تک‌مرحله‌ای با استفاده از کنترل‌گر دامنه کوالکام SA8295 به عنوان مثال بررسی و پیاده‌سازی شده است.
این مجموعه مقالات شامل سه سری است (در آینده به‌روزرسانی‌های مداوم خواهد شد):
01- رمزگشایی طراحی تغذیه سطح 1 کنترل‌گرهای دامنه خودرویی کوالکام: طراحی و محاسبه تغذیه الکتریکی (این فصل)
02- آشنایی با طراحی منبع تغذیه سطح 1 کنترل‌کننده دامنه خودرویی Qualcomm: طراحی شماتیک و طراحی برد مدار چاپی
03- تحلیل طراحی منبع تغذیه سطح 1 کنترل‌کننده دامنه خودرویی Qualcomm: اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل تست عملکرد
1- اهداف و چالش‌های طراحی
۱.۱ نیازمندی‌های جریان گذرا SA8295
جدول ۱: نیازمندی‌های طراحی منبع تغذیه 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.
جریان کلی خودرو در حالت استندبای مغز کنترل مرکزی (کنترل‌کننده دامنه Cockpit) در محدوده 7 تا 10 میلی‌آمپر (در ولتاژ 13.5 ولت)، مصرف ماژول 4G/5G به تنهایی 4 تا 5 میلی‌آمپر و جریان SA8295 کوالکام در ولتاژ 13.5 ولت کمتر از 3 میلی‌آمپر (40 میلی‌وات) است.
1.3 سه چالش اصلی
1.3.1 چالش خروجی جریان منبع تغذیه سوئیچینگ SA8295 کنترل‌کننده دامنه کوالکام - چالش 1:
جریان گذرا بزرگ، 3.3 ولت، 18 آمپر (0.1 میلی‌ثانیه)، 0.1 میلی‌ثانیه برای منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC که قبلاً جزء خروجی حالت پایدار با دوره طولانی محسوب می‌شود، نیاز به طراحی منبع تغذیه باک با توجه به خروجی پایدار 18 آمپری دارد.
1.3.2 چالش‌های دینامیکی جریان بالای منبع تغذیه سوئیچینگ SA8295 تحت کنترل دامنه کوالکام قسمت 2:
جریان کاری پایدار SA8295 در حالت دامنه کنترل 5 الی 9 آمپر است، که باعث می‌شود سلف منبع تغذیه سوئیچینگ (نسبت معکوس بین اندازه سلف و جریان) انتخاب سلف با جریان کاری پایدار بیش از 300٪ اختلاف داشته باشد که منجر به تناقض‌های بزرگ در حجم، هزینه و فرکانس شود.
1.3.3 چالش‌های راندمان توان کم منبع تغذیه سوئیچینگ SA8295 تحت کنترل دامنه کوالکام قسمت 3:
مصرف توان در حالت استندبای، نیازمند راندمان 70٪ در مصرف 3 میلی‌آمپر با ولتاژ 13.5 ولت، که در آن معماری کنترل‌کننده توان و طراحی انتخاب سلف نیز چالش‌های عظیمی محسوب می‌شود.
این طراحی بر اساس طراحی منبع تغذیه یک‌سطحی SA8295 که دارای چالش‌های بیشتری است، انجام شده است تا به مشکلات اصلی در زمینه منابع تغذیه سوئیچینگ و راهکارهای فناوری DC-DC پرداخته شود.
2- مقایسه برنامه‌های انتخابی
2.1 نیازمندی‌های فنی منبع تغذیه Qualcomm SA8295 در کنترل دامنه
همان‌طور که در جدول 2 نشان داده شده است:
جدول 2: الزامات طراحی مشخصات تغذیه Qualcomm SA8295
2.2 طراحی برنامه و اطلاعات فنی
MPQ2918، MPQ2930، LM25141-Q1، MAX20098، LTC7803 و LM25149-Q1 می‌توانند نیازمندی‌های طراحی را برآورده کنند. در این طراحی، LM25149-Q1 به عنوان راهکار طراحی منبع تغذیه یک‌سطحی برای این کنترل‌کننده مرکزی دامنه انتخاب شده است.
2.2.1 آدرس رسمی LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
جدول 3: مراجع طراحی LM25149-Q1
2.2.2 دفترچه داده (Datasheet) LM25149-Q1:
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: مشخصات طراحی منبع تغذیه 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: معادله محاسبات طراحی منبع تغذیه کاهنده همگام
3.4 محاسبه حداقل سلف
(برای فرمول‌ها، به جدول 5 مراجعه کنید.)
جدول 6: نمودار محاسباتی حداقل سلف (∆I=0.3)
جدول 7: محاسبه حداقل اندوکتانس
3.4.1 خلاصه داده‌های محاسبه اندوکتانس:
① اگر طراحی محدوده 6-20A (محاسبه AI=0.3) را پوشش دهد، ورودی 16V، خروجی 6A، اندوکتانس ≥ 0.69μH باشد.
② محاسبه تئوری اندوکتانس منبع تغذیه سوئیچینگ Lmin: ≥ 0.69μH (تئوری);
③ با در نظر گرفتن انتخاب واقعی طراحی و خطای اندوکتانس ±20%، انتخاب 0.82μH و 1.0μH به عنوان بهترین طراحی (با افزایش مقدار اندوکتانس، حجم اندوکتانس افزایش می‌یابد، هزینه افزایش می‌یابد، SRF کاهش می‌یابد).
3.5 محاسبات جریان سلف
(فرمول: به جداول 1 و 2 از جدول 5 رجوع کنید)
جدول 8: محاسبه جریان سلف 0.82μH
جدول 9: محاسبه جریان سلف 1.0μH
3.5.1 جریان اشباع سلف محاسبه شده تئوری ≥ 20.76A، گرد شده به 21A:
جدول 10: نشانگرهای اندوکتانس
4- انتخاب سلف منبع تغذیه سوئیچینگ
جدول 11: انتخاب سلف
4.1 محاسبه مقاومت نمونه‌برداری از سلف منبع تغذیه سوئیچینگ LM25149
جدول 12: محاسبه نظری مقاومت نمونه‌برداری از سلف
جدول 13: انتخاب مقاومت نمونه‌برداری اندوکتیو
4.2 محاسبه ظرفیت خروجی سلف منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK همگام
(محاسبه ظرفیت خروجی: به فرمول موجود در جدول 5 مراجعه کنید)
جدول 14: محاسبه ظرفیت خروجی سلف منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK همگام
در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK همگام، بین عملکرد خازن فیلتر ورودی و خروجی، حجم و هزینه آن تناقض وجود دارد. شاخص‌های مشخصه خازن در شرایط خاصی تست می‌شوند، تفاوت‌های دستگاه‌های اندازه‌گیری در فرآیند تست باعث می‌شود که حتی برای شاخص‌های یکسان، اختلافی در حدود 10-50% ایجاد شود. عملکرد نهایی طراحی نیازمند تأیید در فرآیند راه‌اندازی و تست علمی است (راه‌حل بهینه‌ای برای طراحی وجود ندارد، تنها انتخاب سناریوهای مناسب).
خازن‌های سوئیچینگ باید شرایط زیر را داشته باشند: ظرفیت ≥ 320uF (شرایط ضربه ولتاژ)، ظرفیت خازن سرامیکی بیشتر از 2.435uF (شرایط اصلی نیست، اما بهتر است رعایت شود)
جدول 15: انتخاب مدل پیشنهادی برای خازن فیلتر خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ
جدول 16: طراحی خازن فیلتر خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ
4.3 محاسبه ظرفیت خازن ورودی منبع تغذیه LM25149
4.3.1 محاسبات ظرفیت ورودی
جدول 17: محاسبات فیلتر ورودی منبع تغذیه سوئیچینگ
جدول 18: انتخاب فیلتر خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ
4.4 محاسبه انتخاب ماسفت LM25149
4.4.1 محاسبات ماسفت
در دیتاشیت LM25149 محاسبات و انتخاب‌های زیادی وجود ندارد، بیشتر بر اساس تخمین‌های تجربی به صورت معکوس محاسبه می‌شود. در اینجا ولتاژ Vgs را 4.5-5.0 ولت، بار الکتریکی گیت QG را ≤ 22nC انتخاب می‌کنیم. همچنین ولتاژ پلتوی میلر را 2-3 ولت (نزدیک به 3 ولت نیز قابل قبول است) و مقاومت درین-سورس در حالت روشن (Rdson) را ≤ 8mΩ انتخاب می‌نماییم. جهت مشاهده فرآیند کامل محاسبه به جدول زیر مراجعه کنید.
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 محاسبات طراحی EMC LM25149
بدون تحلیل بیش از حد، به مشخصات مراجعه کنید.
5- خلاصه طراحی
5.1 خلاصه انتخاب طراحی منبع تغذیه LM25149BUCK
جدول 22: طراحی و انتخاب
5.2 خلاصه برنامه
عملکرد و بازدهی منبع تغذیه سوئیچینگ سنکرون تحت تأثیر عوامل زیادی قرار دارد، عملکرد و شاخص‌ها نیازمند در نظر گرفتن عوامل واقعی هستند، این فصل برای محاسبات نظری، راهنمایی نظری در طراحی واقعی استفاده می‌شود، عملکرد و شاخص‌های طراحی به‌طور نزدیک با عملکرد قطعات، شرایط استفاده، آرایش و غیره مرتبط است و نیازمند آزمون و تأیید دقیق است.
طراحی منبع تغذیه باک همگام برای کنترل‌کننده دامنه عبور بالا، یک حوزه فنی دشوار در تکنولوژی طراحی کنترل‌کننده است و نیازمند تعادل بین عملکرد، حجم و هزینه است. کودک کا تمرکز خود را بر روی تحقیق و طراحی مستقل سلف معطوف کرده است. مدل CSEB0660-1R0M مناسب توسعه و کاربرد پلتفرم عبور بالا است و دارای مزایای فنی متعددی از جمله بهره‌وری هزینه‌ای بالا، مقاومت قوی در برابر جریان اشباع، گرمای کم و نسبت توان به حجم پیشرو در صنعت است؛ کودک کا بر توسعن فناوری، نوآوری در زمینه تکنولوژی و تولید محصولات برجسته در صنعت سلف تمرکز دارد و به توسعه و کاربرد محصولات الکترونیکی کمک می‌کند.
EN