توسعه سریع صنعت خودروهای انرژی جدید، رشد بی‌سابقه‌ای در هر زنجیره صنعتی ایجاد کرده است. هوشمندسازی خودرو و رانندگی خودمختار به مهم‌ترین عامل رقابتی در جهت خودروهای الکتریکی تبدیل شده‌اند. این تحولات چالش‌ها و فرصت‌های جدیدی را برای قابلیت اطمینان منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC، چگالی توان بالا، EMC منبع تغذیه سوئیچینگ، بهره‌وری بالا و مقرون‌به‌صرفه بودن به همراه داشته است.
کوالکام به عنوان تأمین‌کننده کنترل‌گر دامنه کابین هوشمند، SA8155 و SA8295 اهمیت بالایی دارند. طراحی منبع تغذیه سطح یک برای SoC کنترل دامنه مرکزی (تغذیه تبدیل شده از ورودی باتری سطح یک)، جریان گذرا، جریان عملیاتی پایدار، راندمان عملیاتی در حالت آماده‌باش، هزینه و تضاد با طراحی EMC منبع تغذیه سوئیچینگ به یک چالش عظیم در طراحی منبع تغذیه BUCK تبدیل شده است. نحوه حل و تعادل این تضادها، مسیری است که باید از طریق همکاری مشترک تولیدکنندگان معماری منبع تغذیه سوئیچینگ، تراشه‌های تغذیه، سلف‌ها، Mosfetها و خازن‌ها دنبال شود.
در این مقاله، طراحی سطح یک منبع تغذیه خودرویی مرکزی کنترل دامنه دینامیکی بزرگ (جریان منبع تغذیه کلیدزنی 100-300 درصدی) را بررسی می‌کنیم و به طراحی منبع تغذیه کلیدزنی DC-DC می‌پردازیم، از جمله روش‌های طراحی مانند انتخاب سلف، خازن و طرح منبع تغذیه، با در نظر گرفتن چالش‌های حجم، هزینه، بهره‌وری و عملکرد و طراحی قابل پیاده‌سازی در دنیای واقعی.
با استفاده از کنترل‌کننده دامنه Qualcomm SA8295 به عنوان مثال، این فصل به بحث و پیاده‌سازی یک طراحی واقعی از یک منبع تغذیه کلیدزنی BUCK می‌پردازد.
این فصل نیازمند درک عمیق از بخش اول این سری مقالات (که به تفصیل نظریه و محاسبات منبع تغذیه کلیدزنی BUCK را شرح می‌دهد) است و سپس به طراحی دقیق منبع تغذیه BUCK بر اساس LM25149 می‌پردازد.
این سری مقالات شامل سه بخش است (به‌روزرسانی‌های متوالی خواهد داشت):
01- رمزگشایی طراحی منبع تغذیه سطح یک کنترل‌کننده دامنه خودرویی Qualcomm: طراحی و محاسبه منبع تغذیه (منتشر شده)
۰۲- تفسیر طراحی کنترل‌کننده دامنه اتومبیلی Qualcomm سطح ۱ منبع تغذیه: طراحی شماتیک و طراحی PCB (این فصل )
۰۳- تفسیر طراحی کنترل‌کننده دامنه اتومبیلی Qualcomm سطح ۱ منبع تغذیه: آنالیز اندازه‌گیری آزمون عملکرد (در دست انتشار)
۱- اهداف و چالش‌های طراحی
۱.۱ نیازمندی‌های جریان گذرا SA8295
جدول ۱: نیازمندی‌های طراحی منبع تغذیه SA8295
یادداشت: طراحی اخیر SA8295 نیازمند ۲۱ آمپر (۱ NPU) و ۲۴ آمپر (۲ NPU) است، که این طراحی پوشش می‌دهد (حفاظت اضافه جریان ۳۰ آمپری)
۱.۲ اهداف طراحی
این طراحی از LM25149 برای طراحی منبع تغذیه اصلی کنترل‌کننده دامنه استفاده می‌کند LM25149 را برای طراحی منبع تغذیه اصلی کنترل‌کننده دامنه ، قادر به پشتیبانی از جریان گذرا به مدت 24 آمپر (100 میکرو ثانیه) و برآورده کردن نیازمندی‌های عملیاتی در حالت پایدار بیش از 10 آمپر، دستیابی به تعادل مناسبی بین اندازه، هزینه و عملکرد
یادداشت: جریان گذرا مشکل حرارتی ایجاد نمی‌کند (برای Qualcomm SA8295، جریان گذرا تنها 100 میکرو ثانیه طول می‌کشد). با این حال، جریان زیاد در حالت پایدار می‌تواند منجر به افزایش دما شود، بنابراین تأثیر عملکرد حرارتی باید ارزیابی شود (راهکار طراحی باید بر اساس شرایط محیطی واقعی انتخاب شود).
2- طرحواره و طراحی برد مدار چاپی (PCB)
2.1 انتخاب مؤلفه‌های اصلی
معیارهای انتخاب مؤلفه‌های منبع تغذیه سوئیچینگ در سطح کنترلر دامنه: اولویت عملکرد، در نظر گرفتن هزینه، در عین حال کاهش مساحت برد PCB؛ در نظر گرفتن مسائل EMC و حلقه جریان منبع تغذیه BUCK سوئیچینگ، مطابق با نظریه و قواعد طراحی عمومی منبع تغذیه BUCK سوئیچینگ، می‌توانید به روش‌های طراحی استاندارد مراجعه کنید.
برای اطلاعات بیشتر در مورد انتخاب و محاسبات قطعات الکترونیکی به فصل 1 مراجعه کنید (آشنایی با طراحی منبع تغذیه سطح 1 کوالکام برای کنترل‌کننده دامنه خودرو: طراحی منبع تغذیه و محاسبات)
این طراحی گزینه 2 را انتخاب می‌کند (استفاده از هشت عدد خازن سرامیکی 47uF در پکیج C1210). این طراحی تنها محدود به این انتخاب نیست، طراحی محصول می‌تواند مطابق با شرایط واقعی مدل انجام شود، و بهینه‌سازی طراحی نیز بر اساس نتایج آزمایش‌های واقعی صورت گیرد.
جدول 2: منبع تغذیه BUCK - طراحی راهکار
2.1.1 منبع تغذیه BUCK - انتخاب ماسفت
جدول 3: منبع تغذیه BUCK - انتخاب ماسفت
2.1.2 منبع تغذیه BUCK - انتخاب سلف
انتخاب سلف با استفاده از شماره مدل: VSEB0660-1R0MV
جدول 4: انتخاب سلف
2.1.3 منبع تغذیه BUCK - انتخاب خازن فیلتر خروجی
جدول 5: منبع تغذیه BUCK - انتخاب خازن فیلتر خروجی
2.1.4 انتخاب خازن فیلتر ورودی منبع تغذیه BUCK
جدول 6: منبع تغذیه BUCK - انتخاب خازن فیلتر ورودی
2.2 طراحی شماتیک و ابزارهای طراحی PCB
2.2.1 طراحی شماتیک و PCB: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
شکل 1 معرفی Caritron EDA
Jialitron EDA یک ابزار توسعه‌ای EDA رایگان برجسته است که دارای قابلیت‌های قوی و کارآمد است، این طراحی با استفاده از Jialitron EDA برای طراحی شماتیک و PCB انجام شده است.
2.3 طراحی شماتیک منبع تغذیه BUCK
2.3.1 طراحی شماتیک منبع تغذیه BUCK
طراحی شماتیک به دفترچه مشخصات LM25149-Q1 و برد توسعه رسمی آن ارجاع داده شده است و طراحی مطابق با نظریه پایه‌ای منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK و الزامات طراحی مرحله اولیه منبع تغذیه کنترل‌کننده حوزه بالا است.
شکل 2 شماتیک LM25149
2.3.2 منبع تغذیه BUCK - فناوری طراحی شماتیک محور
مدار EMC پورت ورودی：
نکات فنی:
① وظیفه اصلی L1 کاهش تأثیر نویز رسانایی مدار منبع تغذیه سوئیچینگ بر روی برق ورودی است، فرکانس سوئیچینگ منبع تغذیه 2.2MHz است، L1 و C23 تشکیل یک مدار فیلتر LC می‌دهند (C16 یک خازن الکترولیتی است که برای فرکانس‌های پایین‌تر از 500KHz به کار می‌رود)، در فرکانس 2.2MHz حدود 60dB کاهش نویز ایجاد می‌کند.
② C21 نویز سوئیچینگ (رنگینگ لبه بالا و پایین ولتاژ ترانزیستور قدرت) را کاهش می‌دهد و عمدتاً نویز EMC را در محدوده 10-100MHz کم می‌کند.
③ اگر در مورد C21 و C23 برق ورودی (قبل از حفاظت) باشد، باید نوع خازن با ترمینال انعطاف‌پذیر انتخاب شود، اما اگر حفاظت وجود داشته باشد، می‌توانید از خازن‌های استاندارد خودرویی استفاده کنید. همچنین می‌توانید از دو خازن به صورت سری و با آرایش عمودی استفاده کنید تا مکانیسم حفاظتی مشابهی ایجاد شود.
در مورد ترانزیستورهای MOSFET قدرت و خازن ورودی LM25149، خازن راکوردگیری دارای الزامات یکسانی است. این طراحی برای تأیید عملکرد استفاده نشده است و استفاده از یک خازن سرامیکی واحد، باید در طراحی به الزامات طراحی خودرویی پیروی کند.
یادداشت: فناوری حذف فعال EMC و طیف گسترده دوتایی تصادفی در LM25419 تنها تا حدی می‌تواند دامنه EMC را کاهش دهد و قادر به حذف کامل EMC نیست. در مورد فرکانس‌های سوئیچینگ 2.2 مگاهرتزی مرتبط با انرژی، کاربردهای جریان بالا (≥ 10A) دارای خطر غلبه بر استاندارد هستند و باید بر اساس رفع‌عیب واقعی تصمیم گرفته شود. اگر حذف C23 همچنان امکان عبور از تست تابشی و هدایتی را فراهم کند، می‌توان از استفاده C23 صرف‌نظر کرد و هزینه را کاهش داد.
خازن ورودی منبع BUCK:
① C2,C3 برای ظرفیت ورودی BUCK، از نظر عملکرد EMC منبع تغذیه سوئیچینگ بسیار حیاتی است. انتخاب ظرفیت 10uF در فرکانس 2MHz با امپدانس کمتر یا مساوی 5mΩ، مدل‌های CGA4J1X8L1A106K125AC و CGA6P1X7S1A476M250AC دارای مشخصات فنی خوبی هستند که می‌توانند مبنای انتخاب قرار گیرند. ظرفیت را می‌توان از نوع X7R با ولتاژ تحمل 35V/50V و پکیج C1210 و C1206 انتخاب کرد. در این طراحی از پکیج C1210 استفاده شده است تا بتوان با مدل‌های بیشتری عملکرد را تأیید کرد.
② C4 به عنوان خازن EMC سوئیچینگ با فرکانس بالا، انتخاب X7R با ولتاژ 50V و پکیج C0402 مناسب است.
C2, C3, C4، در زمینه طراحی (Layout) باید به حلقه جریان توجه شود (به جزئیات Layout مراجعه کنید)، این موضوع باید با الزامات اولیه و تئوری طراحی ظرفیت ورودی BUCK سازگار باشد. مطالعه تئوری منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK می‌تواند در درک عمیق‌تر از ظرفیت ورودی کمک کند.
③ TP7، TP9، TP13 برای تست سوئیچ‌های TG، BG و SW استفاده می‌شوند. این نقاط همچنین برای آزمایش معقول بودن زمان مرده (dead time)، عملکرد رینگینگ (ringing performance) و همچنین عملکرد لبه صعودی و نزولی MOSFET به کار می‌روند و یکی از شاخص‌های مهم در تست الکتریکی منبع تغذیه سوئیچینگ محسوب می‌شوند.
نقطه تست GND در TP به منظور کاهش حلقه زمین (GND loop) در تست با اسیلوسکوپ و بهبود دقت اندازه‌گیری استفاده می‌شود و در طراحی PCB (LAYOUT) باید تا حد ممکن نزدیک به نقطه تست سیگنال‌های مربوطه قرار گیرد.
مقاومت درایور گیت MOSFET:
① R1 و R2 مقاومت‌های درایور گیت MOSFET هستند که نقش مهمی در شکل‌گیری لبه صعودی و نزولی ترانزیستور قدرت MOSFET دارند.
② انتخاب R1 و R2 تحت کنترل جریان خروجی کنترل‌کننده توان BUCK است (مقاومت‌های PULL و PUSH در کنترل‌کننده، امپدانس گیت و خصوصیات شارژ ترانزیستور MOSFET قدرت (ظرفیت ورودی CISS)) دلایل تأثیرگذار بر انتخاب اولیه طراحی مجموع مقاومت‌ها ≤ 10 اهم، همچنین به خصوصیات شارژ بستگی دارد، نیازمند تنظیم دقیق نهایی و انتخاب مقدار مقاومت مناسب است.
③ R1 و R2 همچنین پارامترهای بحرانی نویز سوئیچینگ EMC هستند، در عین حال عوامل اصلی موثر بر تلفات سوئیچینگ مدار هستند، در کاربردهای عملی باید تعادلی بین بازده (گرمایش MOSFET) و تضاد EMC ایجاد شود تا نقطه تعادل حاصل شود.
یادداشت: 6 نقطه تست برای آزمون مشخصه‌های سوئیچینگ و زمان مرده.
حلقه توان خروجی:
① انتخاب سلف: انتخاب سلف بر اساس دو ملاحظه اصلی صورت می‌گیرد:
-جریان عملیاتی گذرا: قادر به تأمین جریان خروجی گذرای 21 (24) A (زمان: 100 میکروثانیه)؛
-جریان کاری در حالت پایدار: 10 آمپر، قادر به کارکرد پایدار در جریان 10 آمپر (در شرایط دمای محیط 85°)؛
-مدت زمان جریان کاری گذرا ≤ 100 میکروثانیه، این جریان در فاز استارت رخ می‌دهد و تنها نیاز است تا اطمینان حاصل شود که سلف اشباع نشده است (برای برآوردن شرایط مقدار اندوکتانس جریان).
② انتخاب مقاومت نمونه‌برداری: انتخاب مقاومت نمونه‌برداری با بسته‌بندی R1206، تلف توان حرارتی ≥ 0.5 وات؛
③ انتخاب خازن‌ها: مرجع: بخش اول فصل خازن فیلتر خروجی؛
مدار فیدبک:
LM25149 دارای یک پیکربندی خروجی ثابت و یک پیکربندی خروجی فیدبک می‌باشد، برای اطلاعات بیشتر به دیتاشیت مراجعه کنید؛
① R14l به VDDA متصل شده، ولتاژ خروجی 3.3 ولت
② R14=24.9K، ولتاژ خروجی 5.0 ولت
③ R14=49.9K، ولتاژ خروجی 12.0 ولت
در صورت عدم لحیم کردن R14، ولتاژ خروجی با پیکربندی R9 و R10 تنظیم می‌شود;
R19 و TP3، TP4 رزرو شده: برای تست، حاشیه فاز، فرکانس عبور و غیره.
یادداشت: TP3 و TP4 برای تست، حاشیه فاز، فرکانس عبور و غیره استفاده می‌شوند.
تنظیم عملکرد:
① EN: سیگنال فعال‌سازی، ≥1.0V روشن کردن منبع تغذیه، می‌تواند برای حفاظت دقیق در برابر ولتاژ پایین استفاده شود;
② Sync-PG: خروجی همزمان یا Power Good، این طراحی برای Power Good استفاده می‌شود;
③ PFM/SYNC
-پیش‌فرض (NC) جامپر: دیود آنالوگ، خروجی جریان کم، می‌تواند در راندمان بالا کار کند;
-اتصال کوتاه جامپر به GND، حالت CCM را اعمال می‌کند;
④ تنظیمات حالت کاری چیپ: مجموعاً پنج حالت کاری وجود دارد (به مشخصات مراجعه کنید)
2.4 منبع تغذیه BUCK - طراحی PCB
2.4.1 منبع تغذیه BUCK - طراحی PCB
① -رویی
② -GND
③ -سیگنال
④ -پایینی
2.4.2 منبع تغذیه BUCK - تمرکز طراحی PCB بر فناوری
حلقه های خازن ورودی و خروجی:
① خازن ورودی و خازن خروجی منبع تغذیه BUCK باید دارای حلقه حداقل باشد، این موضوع تأثیر مهمی روی EMC دارد؛
② C4 عمدتاً برای جذب نویز رینگینگ لبه بالا و پایین شونده سوئیچینگ استفاده می‌شود.
ترانزیستورهای MOSFET و حلقه‌های القایی:
① استفاده از ماسفت‌های دو-در-یک، مساحت برد را کاهش داده و هزینه را پایین می‌آورد، اما معایب آن این است که نمی‌تواند حلقه حداقلی طراحی SW را حفظ کند؛
② نقطه SW ماسفت دو-در-یک نمی‌تواند ترازبندی لایه یکسان در برد مدار چاپی (PCB) را فراهم کند و نیاز به تغییر لایه برای پیاده‌سازی صفحه وجود دارد تا بتوان جریان توان را پیوسته نگه داشت.
جریان نمونه‌برداری:
① نمونه‌برداری جریان نیازمند ترازبندی دیفرانسیل با یک صفحه GND مرجع است؛
② کنترل امپدانس و هم‌طولی الزامی نیست و ترازبندی باید حداقل فاصله طراحی را حفظ کند.
فیدبک FB:
مقاومت‌ها و سایر قطعات باید به پین‌های ریزبلوک کنترلی نزدیک باشند.
پراکندگی گرما و GND:
قطعات تولیدکننده گرما: ماسفت‌ها، سلف‌ها و مقاومت‌های نمونه‌برداری، می‌توانید مساحت صفحه را به منظور دفع گرما افزایش دهید و ایجاد سوراخ‌های GND بیشتر می‌تواند به بهبود شرایط دفع گرمای کل مدار کمک کند.
طراحی منبع تغذیه BUCK سطح 1 تحت کنترل دامنه 3 - خلاصه
3.1 ترسیم سه‌بعدی
شکل سه‌بعدی-1
شکل سه‌بعدی-2
3.2 خلاصه طراحی
① طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ از یک طراحی 4 لایه با ضخامت برد 1.6 میلی‌متر و اندازه 30×65 میلی‌متر استفاده می‌کند؛
② جریان خروجی قادر است جریان گذرا حداکثر 24 آمپر Qualcomm SA8295 را فراهم کند و قابلیت خروجی حالت پایدار 10 آمپر یا بیشتر را پشتیبانی کند.
4- درباره کدکا الکترونیک
کدکا تولید مستقل سلف، طراحی و ساخت آن را در دستور کار دارد، VSEB0660-1R0M برای توسعه و کاربرد در پلتفرم Qualcomm مناسب است. این محصول دارای مزایای فنی نظیر عملکرد هزینه موثر، مقاومت بالا در برابر جریان اشباع، تولید حرارت کم و نسبت توان به حجم پیشرو در صنعت است. کدکا بر روی تحقیق و توسعه فناوری، نوآوری فنی و توسعه محصولات برجسته برای follow industry inductors تمرکز دارد، تا به توسعه و کاربرد محصولات الکترونیکی کمک کند.
5- تست و تأیید
برای تأیید آزمون پیگیری، لطفاً به مراجعه کنید: 03-Deciphering طراحی منبع تغذیه سطح 1 کوالکام در کنترل‌کننده دامنه خودرویی: تحلیل آزمون عملکرد (در دست انتشار)
[مرجع]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
EN