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Le développement rapide du secteur des véhicules à énergie nouvelle a entraîné une croissance explosive dans diverses chaînes industrielles. L'intelligence embarquée et la conduite autonome sont devenues les axes de compétitivité les plus critiques pour les véhicules électriques, ouvrant de nouveaux défis et opportunités pour les cerveaux centraux hautement intégrés et les contrôleurs de domaine, notamment en termes de fiabilité, densité de puissance élevée, CEM des alimentations à découpage, efficacité élevée et rapport coût-performance élevé des alimentations DC-DC à commutation.
Qualcomm, en tant que fournisseur de contrôleurs de domaine pour cockpit intelligent, occupe une position importante avec les SA8155 et SA8295. Les conflits entre le courant transitoire, le courant de fonctionnement stable, l'efficacité énergétique en veille, le coût et la conception CEM d'alimentation à découpage (SMPS) de l'alimentation principale du SOC du contrôleur de domaine central (alimentation provenant de la batterie en entrée vers la conversion primaire) deviennent un défi majeur pour la conception d'une alimentation abaisseuse (BUCK). La manière de résoudre et d'équilibrer ces conflits constitue la direction technique dans laquelle l'architecture d'alimentation à découpage, les circuits intégrés d'alimentation, les inductances, les MOSFET et les condensateurs travaillent ensemble.
Cet article combine la conception de l'alimentation principale d'un contrôleur de domaine central pour des applications automobiles avec une grande plage dynamique de courant d'alimentation à découpage (100-300 %), en explorant la conception des alimentations à découpage DC-DC, y compris les solutions d'alimentation, ainsi que les méthodes de sélection des inductances et des condensateurs. Il aborde et met en œuvre une conception pratique tout en répondant aux défis liés au volume, au coût, à l'efficacité et aux performances.
Cet article prend le contrôleur de domaine SA8295 de Qualcomm comme exemple pour explorer et mettre en œuvre la conception pratique de l'alimentation à découpage BUCK principale.
Cette série d'articles comprend trois parties (mise à jour continue) :
01- Décodage de la conception de l'alimentation primaire du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Conception et calcul de l'alimentation (ce chapitre)
1- Objectifs et défis de conception
1.1 Exigences en courant transitoire pour le SA8295
Tableau 1 : Exigences de conception d'alimentation pour le SA8295
1.2 Exigences en matière de courant au repos SA8295
La consommation au repos de l'alimentation électrique 3,3V du circuit intégré Qualcomm SOC est comprise entre 4 et 7,5 mA (y compris la consommation d'auto-réveil de la mémoire), prise en charge du réveil depuis le mode veille.
Le budget actuel global du véhicule pour le cerveau central (contrôleur de domaine cabine) est de 7 à 10 mA (13,5 V), le module 4G/5G consommant seul 4 à 5 mA, le Qualcomm SA8295 ayant une consommation actuelle de 3 mA (40 mW) ou moins à 13,5 V.
1.3 Trois défis
1.3.1 Défi 1 : Courant de sortie du bloc d'alimentation à découpage du contrôleur de domaine Qualcomm SA8295
Courant transitoire important, 3,3 V, 18 ampères (0,1 ms), 0,1 ms étant déjà une période longue pour un fonctionnement en régime permanent d'une alimentation à découpage DC-DC, ce qui exige que l'alimentation abaisseuse soit conçue pour une sortie stable de 18 ampères.
1.3.2 Défi 2 : Dynamique de l'alimentation à découpage du contrôleur de domaine haute qualité SA8295
Le courant de fonctionnement en régime permanent du contrôleur de domaine SA8295 est de 5 à 9 ampères, ce qui entraîne une différence de courant de fonctionnement stable supérieure à 300 % dans l'inductance de l'alimentation à découpage (l'inductance étant inversement proportionnelle au courant nominal), en termes de volume, de coût et de fréquence, provoquant ainsi des conflits importants.
1.3.3 Défi 3 : Efficacité en micro-puissance de l'alimentation à découpage du contrôleur de domaine haute qualité SA8295
La consommation de puissance en veille, avec un rendement de 70 % à 13,5 V et 3 mA, pose un défi considérable à l'architecture du contrôleur d'alimentation et à la conception du choix de l'inductance.
Cette conception s'appuie sur le défi posé par la conception maximale de l'alimentation abaisseuse primaire SA8295, explorant les difficultés fondamentales des solutions technologiques pour les alimentations à découpage et la technologie DC-DC.
2- Comparaison du choix des solutions
2.1 Exigences techniques relatives à l'alimentation du contrôleur de domaine Qualcomm SA8295
Comme indiqué dans le tableau 2 :
Tableau 2 : Exigences techniques de conception d'alimentation Qualcomm SA8295
2.2 Schéma de conception et documents techniques
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, etc., peuvent tous répondre aux exigences de conception. Cette conception retient le LM25149-Q1 comme solution d'alimentation primaire pour le contrôleur du domaine central dans ce projet.
2.2.1 Adresse officielle du LM25149-Q1 :
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tableau 3 : Documents de référence pour la conception du LM25149-Q1
2.2.2 Fiche technique du LM25149-Q1 :
2.2.3 Carte de développement LM25149-Q1 :
Guide utilisateur du kit d'évaluation LM25149-Q1 (Rév. A) (ti.com.cn)
2.2.4 Stabilité et performances du filtre actif :
Comment garantir la stabilité et les performances des filtres EMI actifs (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 Outils de conception :
Outil de calcul LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com
3- Alimentation synchrone BUCK conception et calcul
3.1 Spécifications principales et paramètres de conception du LM25149
Tableau 4 : Exigences des spécifications techniques de conception d'alimentation Qualcomm SA8295
Efficacité
Filtres EMI actifs
Essais CEM
Schéma de conception de référence
Carte d'évaluation de la solution de conception de référence
3.2 Calcul de sélection de l'inductance LM25149 en mode BUCK synchrone
3.2.1 Formule de calcul pour l'alimentation à découpage synchrone BUCK :
Tableau 5 : Formules de calcul pour la conception de l'alimentation synchrone BUCK
3.3 Calcul de l'inductance minimale
(Formule de calcul, voir tableau 5.)
Tableau 6 : Graphique de calcul de l'inductance minimale (∆I=0,3)
Tableau 7 : Calcul de l'inductance minimale
3.3.1 Résumé des données de calcul d'inductance :
① Si la conception couvre la plage de 6 à 20 A (calcul avec AI = 0,3), avec une tension d'entrée de 16 V et un courant de sortie de 6 A, l'inductance doit être ≥ 0,69 μH.
② Calcul théorique de l'inductance Lmin d'une alimentation à découpage : ≥ 0,69μH (théorique) ;
③ En tenant compte du choix réel en conception et de la tolérance de l'inductance ±20 %, choisir 0,82 μH et 1,0 μH comme conception optimale (l'augmentation de la valeur d'inductance augmente la taille de l'inductance, le coût et réduit la fréquence de résonance série SRF).
3.4 Calculs du courant inductif
(Formule : se référer aux tableaux 5, points 1 et 2)
Tableau 8 : Calcul du courant de l'inducteur 0,82μH
Tableau 9 : Calcul du courant de l'inducteur 1,0μH
3.4.1 Courant de saturation théorique de l'inductance ≥ 20,76 A, arrondi à 21 A :
Tableau 10 : Spécifications de l'inductance
4- Sélection de l'inductance pour l'alimentation à découpage
Tableau 11 : Sélection de l'inductance
4.1 Calcul de la résistance d'échantillonnage du courant pour l'alimentation à découpage LM25149
Tableau 12 : Calcul théorique de la résistance d'échantillonnage du courant
Tableau 13 : Sélection de la résistance d'échantillonnage du courant
4.2 Calcul du condensateur de sortie pour l'alimentation à découpage BUCK synchrone
(Calcul du condensateur de sortie : se référer à l'équation dans le tableau 5)
Tableau 14 : Calcul du condensateur de sortie pour l'alimentation à découpage BUCK synchrone
Pour les conceptions d'alimentations à découpage synchrones abaisseuses, il existe un compromis entre les performances, la taille et le coût des condensateurs de filtrage d'entrée et de sortie. Les essais de spécification des condensateurs sont effectués dans des conditions spécifiques, et des variations liées aux instruments de mesure durant les tests peuvent entraîner des écarts de 10 à 50 % pour des spécifications identiques. La performance finale de la conception nécessite une validation scientifique et des tests lors du processus de débogage (il n'existe pas de solution unique optimale ; seule la sélection d'une solution adaptée à l'application spécifique est possible).
Les condensateurs de commutation doivent satisfaire aux exigences suivantes : capacité ≥ 320 µF (exigence de dépassement), capacité du condensateur céramique supérieure à 2,435 µF (pas une condition fondamentale, il suffit de respecter l'exigence).
Tableau 15 : Sélection recommandée des modèles de condensateurs de filtrage de sortie pour l'alimentation à découpage
Tableau 16 : Conception des condensateurs de filtrage de sortie pour les alimentations à découpage
4.3 Calcul du condensateur d'entrée pour l'alimentation LM25149
4.3.1 Calculs de la capacité d'entrée
Tableau 17 : Calcul du condensateur de filtre d'entrée pour l'alimentation à découpage
Tableau 18 : Sélection des filtres de sortie pour les alimentations à découpage
4.4 Calculs pour la sélection des Mosfets LM25149
4.4.1 Calcul du MOSFET
La fiche technique du LM25149 n'inclut pas de nombreux calculs ni procédures de sélection. Les calculs et sélections relatifs à QG sont basés sur des estimations empiriques et des déductions inversées. Les résultats des calculs indiquent une valeur de Vgs comprise entre 4,5 et 5,0 V et ≤ 22 nC. Le processus de calcul est présenté dans le tableau ci-dessous. La plage Miller est choisie entre 2 et 3 V (une valeur proche de 3 V est également acceptable), et Rdson est choisi inférieur ou égal à 8 mΩ.
Tableau 19 : Sélection et calculs Mosfet
4.5 Recommandations pour la sélection des Mosfets
Tableau 20 : Modèles de sélection Mosfet
4.6 Calculs de la compensation et de la rétroaction LM25149
Tableau 21 : Calculs relatifs à la FB et à la compensation
4.7 Calcul de conception EMC du LM25149
Sans entrer dans une analyse trop poussée, se référer aux spécifications.
5- Résumé de conception
5.1 Résumé de la conception et de la sélection de l'alimentation abaisseuse LM25149
Tableau 22 : Conception et Sélection
5.2 Résumé de la solution
Les performances et l'efficacité des alimentations à découpage synchrones sont influencées par de nombreux facteurs. Les performances et les spécifications doivent tenir compte d'éléments pratiques. Ce chapitre a pour but d'effectuer des calculs théoriques afin de fournir une orientation théorique pour la conception pratique. Les performances et les spécifications de la conception sont étroitement liées aux caractéristiques des composants, aux conditions d'utilisation, à l'agencement, etc., et nécessitent des tests et vérifications rigoureux.
La conception d'une alimentation abaisseuse synchrone pour les contrôleurs de domaine Qualcomm est un domaine complexe dans la conception de contrôleurs, nécessitant un équilibre entre performance, taille et coût. CODACA se concentre sur la recherche et développement indépendante de selfs et de bobines d'inductance commune. Le CSEB0660-1R0M convient au développement et aux applications sur plateforme Qualcomm, offrant un excellent rapport coût-efficacité, une forte résistance au courant de saturation, une faible génération de chaleur et un rapport puissance-volume leader sur le marché. CODACA s'engage dans la recherche technologique et l'innovation, développant des produits remarquables pour l'industrie des inductances et contribuant ainsi au développement et à l'application des produits électroniques.