تحلیل طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترلر دامنه خودرویی کوالکام: تجزیه و تحلیل اندازه‌گیری آزمون عملکرد

توسعه سریع صنعت وسایل نقلیه انرژی جدید، رشد انفجاری در زنجیره‌های صنعتی مختلف را به همراه داشته است. هوشمندسازی خودرو و رانندگی خودکار به جهت‌های اصلی رقابت برتری در وسایل نقلیه انرژی جدید تبدیل شده‌اند و چالش‌ها و فرصت‌های جدیدی را برای مغزهای مرکزی و کنترل‌کننده‌های حوزه با یکپارچگی بالا ایجاد کرده‌اند، به‌ویژه از نظر قابلیت اطمینان، چگالی توان بالا، منبع تغذیه سوئیچینگ، EMC، بازده بالا و هزینه پایین در منابع تغذیه DC-DC.

شرکت کوالکام به عنوان تأمین‌کننده کنترل‌گرهای دامنه کابین هوشمند، موقعیت مهمی با تراشه‌های SA8155 و SA8295 دارد. تعارضات بین جریان گذرا، جریان عملیاتی پایدار، بازده توان در حالت آماده‌باش، هزینه و طراحی EMC در منبع تغذیه مرحله اول SOC کنترل‌گر دامنه مرکزی (از ورودی باتری به منبع تغذیه تبدیل مرحله اول) چالش بزرگی برای طراحی منبع تغذیه BUCK محسوب می‌شود. نحوه برخورد و تعادل این تعارضات، جهت فنی تلاش مشترک تولیدکنندگان معماری منبع تغذیه سوئیچینگ، تراشه‌های توان، سیم‌پیچ، ماسفت و خازن است.

1- مرور محتوا

این مقاله به طراحی منبع تغذیه مرحله اول برای کنترل‌کننده‌های دامنه مرکزی خودرو با جریان منبع تغذیه سوئیچینگ پویا بزرگ (100-300%) می‌پردازد و به بررسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ DC-DC، از جمله راه‌حل‌های تغذیه، انتخاب سلف و خازن و سایر روش‌های طراحی می‌پردازد. همچنین چالش‌های موجود در حجم، هزینه، بازده و عملکرد را بررسی کرده و به طراحی پیاده‌سازی عملی می‌پردازد.

این فصل با استفاده از کنترل‌کننده‌های دامنه Qualcomm SA8295 به عنوان مثال، به بررسی و اجرای آزمون و اعتبارسنجی منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK مرحله اول می‌پردازد و نشان می‌دهد که آیا نتایج آزمون با طراحی مورد انتظار مطابقت دارند یا خیر.

این مجموعه مقالات از سه فصل تشکیل شده است:

01- رمزگشایی طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترل‌کننده دامنه خودرویی Qualcomm: طراحی و محاسبه منبع تغذیه

02- رمزگشایی طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترل‌کننده دامنه خودرویی Qualcomm: طراحی شماتیک و طراحی PCB

03 - رمزگشایی طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترل‌کننده دامنه خودرویی کوالکام: تجزیه و تحلیل اندازه‌گیری آزمون عملکرد (این فصل)

2- اهداف تأیید

نیازمندی‌های جریان گذرا در SA8295 به شرح زیر است:

توجه: فعال‌سازی NPU نیازمند مصرف اضافی جریان است. این طراحی شامل جریان طراحی NPU (3A+3A) نمی‌باشد.

3- محیط و شرایط آزمون

3.1 شرایط آزمون

دمای محیط: 25°C (واقعی 24-27°C، محاسبه‌شده به عنوان 25°C)

3.2 ابزارهای آزمون و روش‌های آزمایش

3.3 نقشه‌های الکتریکی و برد مدار چاپی (PCB)

نمودار شماتیک

PCB

4- اعتبارسنجی آزمون

عملکرد موج‌ریل، دقت ولتاژ، پایداری، افزایش دما و بازده ناشی از توانایی بار حالت پایا را در ولتاژهای مختلف (9-16 ولت) بررسی کنید. با توجه به محدودیت فضا، شاخص‌های کلیدی عملکرد را برای اعتبارسنجی آزمون انتخاب کنید.

① موج‌ریل: موج‌ریل در ولتاژهای ورودی و جریان‌های بار مختلف؛

② دقت ولتاژ: دقت ولتاژ خروجی در ولتاژهای ورودی و جریان‌های بار مختلف؛

③ توانایی جریان بار: آزمون منحنی ولتاژ جریان خروجی، بازده؛

④ ویژگی‌های افزایش دما: بررسی کنید که آیا شرایط کارکرد مطابق با الزامات است یا خیر.

4.1 ظرفیت بار ولتاژ پایین (9.0 ولت)

4.2 قابلیت بار ولتاژ نرمال (13.5 ولت)

4.3 قابلیت بار با ولتاژ بالا (16.0 ولت)

4.4 آزمون جریان مداوم

5. خلاصه آزمون

5.1 نتایج آزمون

چند نکته قابل توجه:

① هدف اصلی طراحی، برآوردن نیازهای جریان گذرا و جریان عملیاتی پایدار است. در صورت طراحی کاملاً مبتنی بر مقادیر حداکثری، هزینه‌ها و حجم افزایش می‌یابد (چگالی طراحی برد مدار چاپی کاهش می‌یابد)، اما در عمل چنین شرایطی که دستگاه به‌صورت پایدار در جریان 18 آمپر کار کند، وجود ندارد؛

② موج نوسان (ریپل) به راحتی با استفاده از خازن‌های سرامیکی به‌دست می‌آید و همه مقادیر زیر 50 میلی‌ولت هستند؛

③ سلف توان دارای مشخصه‌های عالی مقاومت متوسط مستقیم (DCR) و اشباع نرم جریان است و جریان خروجی واقعی آن 21 آمپر است؛

④ این طراحی می‌تواند برای مدت کوتاهی بالاتر از 20 آمپر کار کند و بازدهی در محدوده 8 تا 12 آمپر و افزایش دما را در سطح خوبی حفظ نماید.

6- مواد کلیدی BOM

7- انتخاب القاگر

به‌عنوان یک جزء مهم منبع تغذیه مرحله اول در کنترلرهای دامنه خودرو، عملکرد القاگرها برای قابلیت اطمینان و بازده تبدیل منابع تغذیه سوئیچینگ DC-DC بسیار حیاتی است. در این راه‌حل طراحی، از القاگر برق قالب‌گیری‌شده صنف RAEBA خودرویی VSEB0660-1R0M استفاده شده است. این سری القاگرها دارای مشخصاتی همچون تلفات کم، بازده بالا، محدوده فرکانسی کاربردی گسترده، مقاومت قوی در برابر جریان اشباع، تولید حرارت پایین و نسبت عملکرد به هزینه بالا هستند. طراحی نازک آن، چگالی توانی پیشرو در صنعت را ارائه می‌دهد و آن را بسیار مناسب برای توسعه و کاربرد پلتفرمهای کوالکام می‌سازد.