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

توسعه سریع صنعت خودروهای نسل جدید انرژی، رشد انفجاری زنجیره‌های صنعتی مختلف را به همراه داشته است و هوشمندسازی خودرو و رانندگی خودکار به جهت‌گیری اصلی و کلیدی در رقابت‌پذیری خودروهای نسل جدید انرژی تبدیل شده‌اند و چالش‌ها و فرصت‌های جدیدی را برای مغز متمرکز پیشرفته و کنترلر دامنه ایجاد کرده‌اند، به‌ویژه در زمینه قابلیت اطمینان، چگالی توان بالا، EMC، بازدهی بالا و مقرون‌به‌صرفه‌بودن منابع تغذیه سوئیچینگ DC-DC.

به عنوان تأمین‌کننده کنترلرهای دامنه کابین هوشمند، SA8155 و SA8295 جایگاه مهمی دارند و تضاد بین جریان گذرا، جریان عملیاتی پایدار، بازدهی در حالت آماده‌باش، هزینه و طراحی EMC منبع تغذیه اولیه SOC کنترل دامنه مرکزی (منبع تغذیه تبدیل‌شده از سطح اولیه ورودی باتری) به چالش عظیمی در طراحی منبع تغذیه BUCK تبدیل شده است. نحوه حل و تعادل این تضادها، جهت‌گیری فنی مشترک سوئیچینگ منبع تغذیه، تراشه‌های منبع تغذیه، سیم‌پیچ‌ها، ماسفت‌ها و تولیدکنندگان خازن است.

این مقاله به طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC برای طراحی منبع تغذیه اولیه کنترل دامنه مرکزی در منابع تغذیه سوئیچینگ پویا با توان بالا (100-300%) می‌پردازد که شامل طرح تغذیه، انتخاب سلف و خازن و سایر روش‌های طراحی است و چالش‌های ابعاد، هزینه، بازده و عملکرد را نیز در نظر می‌گیرد.

این فصل با استفاده از کنترلر دامنه Qualcomm SA8295 به عنوان مثال، به بحث و پیاده‌سازی طراحی عملی منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK سطح اول می‌پردازد.

برای این فصل لازم است سری اول (تئوری و محاسبات دقیق منبع تغذیه BUCK) مطالعه شده و سپس منبع تغذیه BUCK به طور دقیق بر اساس LM25149 طراحی گردد.

این مجموعه مقالات از سه سری تشکیل شده است (با به‌روزرسانی‌های جاری):

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

02-رمزگشایی طراحی منبع تغذیه سطح اول کنترلر دامنه خودرویی Qualcomm: طراحی شماتیک و طراحی PCB (این فصل)

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

۱- اهداف و چالش‌های طراحی

۱.۱ نیازمندی‌های جریان گذرا SA8295

جدول ۱: نیازمندی‌های طراحی منبع تغذیه SA8295

یادداشت: مطابق آخرین الزامات طراحی SA8295، جریان‌های 21A (1 NPU) و 24A (2 NPU) مورد نیاز است و این طراحی قادر به پوشش (حفاظت در برابر جریان اضافی تا 30A) است

1.2 اهداف طراحی

این طراحی از یک منبع تغذیه درجه اول کنترل‌کننده دامنه با استفاده از LM25149 استفاده می‌کند که می‌تواند نیازهای جریان گذرا 24A (100us) را برآورده کند و همچنین شرایط کاری حالت پایدار بیش از 10A را فراهم آورد تا تعادل جامعی بین حجم، هزینه و عملکرد حاصل شود.

یادداشت: جریان گذرا مشکل گرمایش ایجاد نمی‌کند (برای Qualcomm SA8295 فقط 100uS جریان گذرا وجود دارد)، اما جریان پایدار بزرگ منجر به افزایش دمای قطعه می‌شود و تأثیر افزایش دما باید اندازه‌گیری شود (انتخاب طرح طراحی بسته به شرایط محیطی واقعی انجام می‌شود).

2- طرحواره و طراحی برد مدار چاپی (PCB)

2.1 انتخاب مؤلفه‌های اصلی

معیارهای انتخاب قطعات منبع تغذیه سوئیچینگ اصلی کنترل‌کننده دامنه: اولویت عملکرد، در نظر گرفتن هزینه و کاهش سطح برد مدار چاپی (PCB)؛ با توجه به مشکل EMC و مشکل حلقه جریان منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK، این طراحی مطابق با نظریه و قوانین کلی طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK است و می‌توان به روش‌های طراحی عمومی مراجعه کرد.

برای جزئیات انتخاب و محاسبه قطعات الکترونیکی، لطفاً به فصل ۱ ( رمزگشایی از طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترلر دامنه خودروی کوالکام: طراحی و محاسبه منبع تغذیه )

گزینه ۲ برای این طراحی (استفاده از هشت خازن سرامیکی 47uF با بسته‌بندی C1210). این طراحی تنها به این انتخاب محدود نمی‌شود و طراحی محصول می‌تواند بر اساس شرایط واقعی تنظیم شود و بهینه‌سازی طراحی می‌تواند بر اساس نتایج آزمون‌های عملی انجام پذیرد.

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 از مدل: VSEB0660-1R0MV

جدول 4: انتخاب سلف

2.1.3 انتخاب خازن فیلتر خروجی برای منبع تغذیه BUCK

جدول 5: انتخاب خازن فیلتر خروجی برای منبع تغذیه BUCK

2.1.4 منبع تغذیه BUCK - انتخاب خازن فیلتر ورودی

جدول 6: انتخاب خازن فیلتر ورودی منبع تغذیه BUCK

2.2 طراحی شماتیک و ابزارهای طراحی PCB

2.2.1 طرح کلی و طراحی برد مدار چاپی: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)

شکل 1 معرفی Caritron EDA

JLC Technology EDA پیشروترین ابزار رایگان توسعه EDA در چین است که دارای قابلیت‌های قوی و کارایی بالا در توسعه است، این طراحی از نمودار شماتیک و برد مدار چاپی JLC Technology EDA استفاده می‌کند.

2.3 طراحی شماتیک منبع تغذیه BUCK

2.3.1 طراحی شماتیک منبع تغذیه BUCK

طراحی اصلی به مشخصات LM25149-Q1 و برد توسعه رسمی استناد می‌کند و طراحی مورد نظر با اصول بنیادی منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK و الزامات طراحی منبع تغذیه اولیه کنترلرهای دامنه پس‌العبور مطابقت دارد.

شکل 2 نمودار شماتیک LM25149

2.3.2 منبع تغذیه BUCK - فناوری کلیدی در طراحی شماتیک

مدار EMC ورودی：

نقاط فنی:

① عملکرد اصلی L1 کاهش تأثیر نویز هدایت‌شده و تابشی ناشی از منبع تغذیه سوئیچینگ بر روی منبع تغذیه ورودی است. فرکانس سوئیچینگ منبع تغذیه 2.2 مگاهرتز است. L1 و C23 یک مدار فیلتر LC را تشکیل می‌دهند (C16 خازن الکترولیتی است که عمدتاً برای فرکانس‌های پایین‌تر از 500 کیلوهرتز استفاده می‌شود) و در فرکانس 2.2 مگاهرتز، نویز حدود 60 دسی‌بل کاهش می‌یابد.

② C21 نویز سوئیچینگ (رنگینگ لبه صعودی و نزولی لوله توان) را کاهش می‌دهد و عمدتاً نویز EMC در محدوده 10 تا 100 مگاهرتز را کم می‌کند.

③ اگر از C21 و C23 در منابع تغذیه درجه اول (قبل از حفاظت) استفاده شود، باید از مدل خازن با ترمینال انعطاف‌پذیر انتخاب کرد و اگر مدار محافظت شده باشد، می‌توان از خازن درجه خودرویی استفاده کرد. مکانیزم حفاظت مشابهی نیز می‌تواند با استفاده از چیدمان سری دو خازن پیاده‌سازی شود.

همان الزامات برای ترانزیستورهای MOSFET قدرت و خازنهای ورودی LM25149 و خازنهای رفع اتصال نیز مورد نیاز است، این طراحی برای تأیید عملکرد استفاده نمیشود، بلکه از یک خازن سرامیکی واحد استفاده میشود و طراحی در سطح محصول، الزامات طراحی خودرویی را دنبال میکند.

یادداشت: فناوری لغو فعال EMC و طیف پراکنش تصادفی دوگانه در LM25419 تنها تا حد معینی دامنه EMC را کاهش میدهد و نمیتواند به طور کامل EMC را حذف کند؛ برای فرکانس سوئیچینگ 2.2 مگاهرتز و انرژی مربوطه، در کاربردهای جریان بالا (≥10 آمپر) همچنان خطر تخطی از استاندارد وجود دارد و نتایج دبگ واقعی ملاک است. در صورتی که با حذف C23 همچنان بتوان از لحاظ تشعشع و انتقال رادیویی استاندارد را رعایت کرد، میتوان از بهکارگیری C23 صرف‌نظر کرد و هزینه را کاهش داد.

خازن ورودی منبع BUCK:

① C2، C3 خازنهای ورودی توان BUCK هستند که برای عملکرد EMC منبع تغذیه سوئیچینگ بسیار حیاتی می‌باشند. خازنهای 10uF باید امپدانس در حدود 2 مگاهرتز ≤5mΩ را داشته باشند. خازنهای CGA4J1X8L1A106K125AC و CGA6P1X7S1A476M250AC شاخص‌های فنی مناسبی برای استناد دارند. در انتخاب خازن می‌توان از نوع X7R با ولتاژ تحمل 35V/50V استفاده کرد و بسته‌های C1210 و C1206 قابل دسترس هستند. در این طراحی بسته C1210 انتخاب شده است که امکان تأیید عملکرد در محدوده وسیعی از مدل‌ها را فراهم می‌کند.

② C4 یک خازن EMC سوئیچینگ با فرکانس بالا است که باید از نوع 50V X7R و بسته C0402 انتخاب شود.

در چیدمان C2، C3 و C4 باید به حلقه جریان توجه شود (به جزئیات چیدمان مراجعه کنید) تا نیازمندی‌های پایه‌ای خازن ورودی توان BUCK و تئوری طراحی رعایت شود. برای درک عمیق‌تر خازن ورودی، می‌توانید نظریه منبع تغذیه سوئیچینگ BUCK را مطالعه کنید.

③ TP7، TP9 و TP13 برای تست سیگنال‌های TG، BG و SW سوئیچ استفاده می‌شوند و در ارزیابی منطقی بودن زمان ناحیه مرده، عملکرد رینگینگ و مشخصات لبه صعودی و نزولی MOSFET به کار می‌روند که یک شاخص مهم آزمون عملکرد الکتریکی منبع تغذیه سوئیچینگ محسوب می‌شود.

نقطه تست TP مربوط به GND برای کاهش حلقه زمین (GND) در تست اسیلوسکوپ و بهبود دقت اندازه‌گیری استفاده می‌شود و در طراحی LAYOUT باید به گونه‌ای قرار داده شود که نقطه تست در نزدیک‌ترین فاصله ممکن به سیگنال مربوطه قرار گیرد.

مقاومت درایور گیت MOSFET:

① R1 و R2 مقاومت‌های درایو گیت MOSFET هستند که تأثیر مهمی بر لبه‌های صعودی و نزولی MOSFET قدرت دارند.

② انتخاب R1 و R2 تحت تأثیر عوامل ترکیبی جریان خروجی کنترل‌کننده توان BUCK (کنترل‌کننده (مقاومت PULL و PUSH)، امپدانس گیت و ویژگی‌های بار ترانزیستور MOSFET قدرت (ظرفیت ورودی CISS)) قرار دارد و در طراحی اولیه مقدار مقاومت کلی ≤ 10 اهم انتخاب می‌شود که همچنین به ویژگی‌های شارژ بستگی دارد و نیازمند تنظیم دقیق برای انتخاب مقدار مناسب مقاومت است.

③ R1 و R2 همچنین پارامترهای کلیدی هستند که بیشترین تأثیر را در نویز سوئیچینگ EMC و عوامل اصلی مدار که بر تلفات سوئیچینگ تأثیر می‌گذارند، دارند.

یادداشت: 6 نقطه آزمون برای تست مشخصات سوئیچ و زمان مرده استفاده می‌شوند.

حلقه توان خروجی:

① انتخاب سلف: انتخاب سلف عمدتاً دو عامل را در نظر می‌گیرد:

- جریان کاری گذرا: توانایی تولید خروجی گذرا 24 آمپر (زمان: 100 میکروثانیه)؛

- جریان کاری حالت پایدار: 10 آمپر، که می‌تواند به‌صورت پایدار در جریان 10 آمپر کار کند (شامل شرایط دمای محیط 85 درجه سانتی‌گراد)

مدت زمان جریان عملیات گذرا ≤ 100 میکروثانیه است و در فاز راه‌اندازی رخ می‌دهد و فقط شرط تضمین عدم اشباع سلف می‌تواند نیازمندی‌ها را برآورده کند (برآورده کردن مقدار سلف برای جریان جاری).

② انتخاب مقاومت نمونه‌برداری: مقاومت نمونه‌برداری در بسته R1206 انتخاب شده و قدرت پخش حرارت آن ≥ 0.5 وات است؛

③ انتخاب خازن‌ها: مرجع: فصل خازن فیلتر خروجی در بخش اول فصل؛

مدار فیدبک:

LM25149 دارای پیکربندی خروجی ثابت و پیکربندی خروجی فیدبک است و محتوای دقیق به کتابچه مشخصات ارجاع می‌دهد؛

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

ولتاژ خروجی با استفاده از R14، R9 و R10 روی برچسب خالی تنظیم می‌شود؛

R19 و نقاط ذخیره‌شده TP3، TP4: برای تست، حاشیه فاز، فرکانس عبور و غیره؛

یادداشت: TP3 و TP4 برای اندازه‌گیری حاشیه فاز، فرکانس عبور و غیره استفاده می‌شوند.

تنظیمات عملکرد:

① EN: سیگنال فعال‌سازی، روشن کردن منبع تغذیه ≥ 1.0 ولت، می‌تواند با ولتاژ پایین دقیق محافظت شود؛

② Sync-PG: خروجی همزمان یا Power Good، این طراحی برای Power Good است؛

③ PFM/SYNC

-پیش‌فرض (NC) جامپر: دیود آنالوگ، خروجی جریان کم، می‌تواند با بازده بالا کار کند؛

-جامپر اتصال کوتاه به GND، حالت CCM اجباری؛

④ تنظیم حالت کاری تراشه: در مجموع 5 حالت کاری (به کتاب 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 - فناوری کلیدی برای طراحی PCB

حلقه خازن ورودی و خروجی:

① خازنهای ورودی و خروجی منبع تغذیه BUCK باید حداقل حلقه را حفظ کنند که تأثیر مهمی بر EMC دارد؛

② C4 عمدتاً برای جذب نویز رینگینگ لبه‌های صعودی و نزولی سوئیچ استفاده می‌شود.

حلقه‌های MOSFET و سلف:

① استفاده از MOSFETهای دو در یک، سطح چیدمان و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، معایب آن این است که حلقه حداقل Layout SW را نمی‌توان حفظ کرد؛

② نقطه SW MOSFET دو در یک نمی‌تواند قابلیت ردیابی مسیر در همان لایه PCB را پیاده‌سازی کند و باید سطح لایه‌بندی تغییر کند تا جریان پیوسته تأمین شود.

جریان نمونه‌برداری:

① جریان نمونه‌برداری باید از نوع ردیف‌های دیفرانسیلی باشد و باید یک صفحه مرجع GND وجود داشته باشد؛

② نیازی به کنترل امپدانس و طول برابر نیست و ردیف‌ها باید حداقل فاصله طراحی را حفظ کنند.

فیدبک FB:

مقاومت‌ها و سایر قطعات باید به پین‌های ریزبلوک کنترلی نزدیک باشند.

پراکندگی گرما و GND:

دستگاه‌های تولید گرما: می‌توان MOSFETها، سیم‌پیچ‌ها و مقاومت‌های نمونه‌برداری را در ناحیه صفحه به‌طور مناسبی برای هدایت گرما افزایش داد و افزایش viaهای GND می‌تواند به بهبود شرایط دفع گرمای کل برد کمک کند.

طراحی منبع تغذیه BUCK درجه یک تحت کنترل دامنه - خلاصه

3.1 ترسیم سه‌بعدی

شکل سه‌بعدی-1

شکل سه‌بعدی-2

3.2 خلاصه طراحی

① طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ از نوع طراحی 4 لایه استفاده می‌کند، ضخامت برد PCB برابر 1.6 میلی‌متر و اندازه آن 30×65 میلی‌متر است؛

② جریان خروجی قادر به پوشش حداکثر جریان گذرا از Qualcomm SA8295 به میزان 24 آمپر است و قابلیت خروجی حالت پایدار بیش از 10 آمپر را پشتیبانی می‌کند.

4- درباره کدکا الکترونیک

کدآکا در زمینه تحقیق و توسعه مستقل، طراحی و تولید القاگرها تمرکز دارد و مدل VSEB0660-1R0M برای توسعه و کاربردهای پلتفرم‌های کوالکام مناسب است. این محصول دارای مزایای فنی مانند عملکرد هزینه‌ای بالا، توانایی قوی در برابر اشباع جریان و تولید حرارت کم است و نسبت توان به حجم آن در صنعت برجسته است. کدآکا بر تحقیق و توسعه فناوری، نوآوری فناورانه تمرکز دارد، محصولات برجسته‌ای را برای صنعت القاگر توسعه می‌دهد و به توسعه و کاربرد محصولات الکترونیکی کمک می‌کند.

5- تست و تأیید

برای آزمون‌ها و تأییدیه‌های بعدی، لطفاً به: 03- مراجعه کنید تحلیل طراحی منبع تغذیه مرحله اول کنترلر دامنه خودرویی کوالکام: تجزیه و تحلیل اندازه‌گیری آزمون عملکرد .

[مرجع]

1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1

2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E