Le développement rapide de l'industrie des véhicules électriques a entraîné une croissance exponentielle de chaque maillon de la chaîne industrielle. L'intelligence automobile et la conduite autonome sont devenues les directions clés représentant la compétitivité centrale des véhicules électriques. Cela impose de nouveaux défis et opportunités pour les systèmes hautement intégrés tels que le cerveau central et les contrôleurs de domaine, en particulier en ce qui concerne la fiabilité des alimentations à découpage DC-DC, la densité de puissance élevée, la compatibilité électromagnétique (EMC) des alimentations à découpage, l'efficacité énergétique et la rentabilité.
En tant que fournisseur de contrôleurs de domaine de cockpit intelligent, Qualcomm avec ses modèles SA8155 et SA8295 occupe une place importante. L'alimentation électrique du niveau 1 du SOC central (alimentation convertie à partir de l'entrée batterie niveau 1) fait face à un défi majeur en raison des contradictions entre le courant transitoire, le courant stable pendant le fonctionnement, l'efficacité en veille, le coût et la conception CEM (Compatibilité Électromagnétique) de l'alimentation à découpage. Comment résoudre et équilibrer ces contradictions constitue la direction technique en matière d'architecture d'alimentation à découpage, de circuit intégré d'alimentation, d'inductance, de Mosfet et de condensateur.
Cet article s'appuie sur une conception d'alimentation électrique de contrôle central automobile de niveau 1 avec un courant de commutation dynamique élevé (100-300 %), pour explorer la conception d'une alimentation à découpage DC-DC, incluant le schéma d'alimentation, le choix de l'inductance, des condensateurs et autres méthodes de conception ; en tenant compte du volume, du coût, de l'efficacité énergétique et des performances, afin d'explorer et mettre en œuvre une conception pratique.
Cet article explore et met en œuvre la conception réelle d'une alimentation à découpage BUCK en une seule étape en utilisant comme exemple le contrôleur de domaine Qualcomm SA8295.
Cette série d'articles contient trois parties (elle sera mise à jour continuellement à l'avenir) :
01- Décryptage de la conception de l'alimentation niveau 1 du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Conception et calcul de l'alimentation électrique (ce chapitre)
02- Démystification de la conception de l'alimentation électrique de niveau 1 du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Conception schématique et conception PCB
03- Décryptage de la conception de l'alimentation électrique de niveau 1 du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Analyse des mesures de tests de performance
1- Objectifs et défis de conception
1.1 Exigences en courant transitoire du SA8295
Tableau 1 : Exigences de conception de l'alimentation électrique 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 cerveau central (contrôleur de domaine cockpit) dispose d'un budget de courant global pour l'ensemble du véhicule de 7 à 10 mA (13,5 V), le module 4G/5G seul consomme 4 à 5 mA, le courant du Qualcomm SA8295 à 13,5 V est inférieur à 3 mA (40 mW).
1.3 Trois défis
1.3.1 Défi n°1 lié à l'alimentation électrique à découpage du contrôleur de domaine Qualcomm SA8295
Courant transitoire élevé, 3,3 V, 18 Ampères (0,1 ms), 0,1 ms pour une alimentation à découpage CC-CC appartenant déjà à la sortie en régime permanent prolongé, nécessite une alimentation Buck conçue selon une sortie stable de 18 Ampères.
1.3.2 Défis liés aux courants dynamiques élevés de l'alimentation à découpage du contrôleur de domaine Qualcomm SA8295, défi n°2 :
Le courant d'opération en régime permanent du contrôleur de domaine SA8295 varie entre 5 et 9 ampères, ce qui entraîne une inductance de l'alimentation à découpage (la taille de l'inductance est inversement proportionnelle au courant) ; le choix correspondant au courant d'opération stable entraîne des différences supérieures à 300 % en termes de volume, de coût et de fréquence, ce qui crée des contradictions importantes.
1.3.3 Défis liés au rendement micropuissance de l'alimentation à découpage du contrôleur de domaine Qualcomm SA8295, défi n°3 :
Consommation en veille, nécessite un rendement de 70 % avec une consommation de 3 mA sous 13,5 V, ce qui constitue également un défi majeur en matière d'architecture du contrôleur d'alimentation et de conception du choix de l'inductance.
Cette conception s'inspire de celle de l'alimentation Buck à un niveau SA8295 la plus complexe, afin d'explorer les difficultés fondamentales liées aux alimentations à découpage et aux solutions technologiques DC-DC.
2- Comparaison des choix techniques
2.1 Exigences techniques relatives à l'alimentation du contrôleur de domaine Qualcomm SA8295
Comme indiqué dans le tableau 2 :
Tableau 2 : Exigences des spécifications de conception d'alimentation pour le Qualcomm SA8295
2.2 Conception du programme et informations techniques
Les composants MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 et LM25149-Q1 répondent aux exigences de conception. Dans ce projet, le LM25149-Q1 a été choisi comme solution de conception d'alimentation primaire pour ce contrôleur de domaine central.
2.2.1 Adresse officielle du LM25149-Q1 :
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tableau 3 : Références de 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 de conception de l'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 : Équation de calcul pour la conception d'une alimentation BUCK synchrone
3.4 Calcul de l'inductance minimale
(Pour les formules, voir le tableau 5.)
Tableau 6 : Graphe des valeurs calculées de l'inductance minimale (∆I=0,3)
Tableau 7 : Calcul de l'inductance minimale
3.4.1 Résumé des données de calcul d'inductance :
① Si la conception couvre la plage de 6-20A (calcul AI=0,3), tension d'entrée 16V, courant de sortie 6A, inductance ≥ 0,69μH.
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 d'une tolérance d'inductance de ± 20 %, sélectionner 0,82μH et 1,0μH comme meilleure conception (la valeur d'inductance augmente, le volume de l'inductance augmente, le coût augmente, la fréquence de résonance diminue).
3.5 Calculs du courant de l'inducteur
(Formule : se reporter aux tableaux 1 et 2 du tableau 5)
Tableau 8 : Calcul du courant de l'inducteur 0,82μH
Tableau 9 : Calcul du courant de l'inducteur 1,0μH
3.5.1 Courant de saturation théorique calculé de l'inducteur ≥ 20,76A, arrondi à 21A :
Tableau 10 : Indicateurs d'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 de l'inductance de l'alimentation à découpage LM25149
Tableau 12 : Calcul théorique de la résistance d'échantillonnage du courant inductif
Tableau 13 : Sélection de la résistance d'échantillonnage inductive
4.2 Calcul de la capacité de sortie pour alimentation à découpage BUCK synchrone
(Calcul de la capacité de sortie : se référer à la formule dans le Tableau 5)
Tableau 14 : Calcul de la capacité de sortie pour alimentation à découpage BUCK synchrone
Dans la conception d'une alimentation à découpage synchrone BUCK, il existe des contradictions entre les performances, le volume et le coût des condensateurs de filtrage d'entrée et de sortie. Les spécifications de capacité sont testées dans des conditions spécifiques, mais en raison des différences dans les instruments utilisés lors du processus de test, les mêmes indicateurs peuvent présenter un écart de 10 à 50 %. Les performances finales de la conception doivent être validées lors du processus de mise au point scientifique et des tests (il n'existe pas de solution optimale pour la conception, seulement un choix adapté au scénario concerné).
Les condensateurs de commutation doivent satisfaire aux exigences suivantes : capacité ≥ 320uF (exigence de dépassement), capacité du condensateur céramique supérieure à 2,435uF (non critique, mais à respecter si possible)
Tableau 15 : Sélection recommandée des modèles pour les condensateurs de filtrage de sortie d'alimentation à découpage
Tableau 16 : Conception des condensateurs de filtrage de sortie d'alimentation à découpage
4.3 Calcul de la capacité d'entrée de l'alimentation LM25149
4.3.1 Calculs de la capacité d'entrée
Tableau 17 : Calculs de la capacité du filtre d'entrée de l'alimentation à découpage
Tableau 18 : Sélection du filtre de sortie de l'alimentation à découpage
4.4 Calculs pour la sélection des Mosfets LM25149
4.4.1 Calculs Mosfet
La fiche technique du LM25149 ne contient pas beaucoup de calculs et de sélections, les calculs QG se font principalement par estimation empirique inversée. Les résultats des calculs permettent de choisir un Vgs de 4,5 à 5,0 V, une charge ≤ 22 nC. Le processus de calcul suit le tableau ci-dessous. Sélectionner la plage de Miller à 2-3 V (une valeur proche de 3 V est également acceptable). Pour Rdson, choisir une valeur ≤ 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 Calculs de conception EMC LM25149
Sans trop analyser, reportez-vous à la spécification.
5- Résumé de conception
5.1 Résumé de la sélection de conception de l'alimentation LM25149BUCK
Tableau 22 : Conception et Sélection
5.2 Résumé du programme
Les performances et le rendement d'une alimentation à découpage synchrone dépendent de nombreux facteurs ; les performances et indicateurs doivent tenir compte des paramètres réels. Ce chapitre est utilisé pour les calculs théoriques et sert de référence théorique pour la conception pratique. Les performances et indicateurs de conception sont étroitement liés aux caractéristiques des composants, aux conditions d'utilisation, au routage (layout), etc., et nécessitent des tests et vérifications rigoureux.
La conception d'une alimentation synchrone abaisseuse pour le contrôleur de domaine haute fréquence constitue un domaine technique complexe de la technologie de conception des contrôleurs, nécessitant d'équilibrer les performances, le volume et le coût. Kodak Ka se concentre sur la recherche indépendante et la conception de selfs. CSEB0660-1R0M convient au développement et à l'application de la plateforme haute fréquence, offre un excellent rapport qualité-prix ainsi que des avantages techniques tels qu'une forte résistance au courant de saturation, une faible dissipation thermique et un rapport puissance/volume leader sur le marché. Kodak Ka se consacre à la recherche et développement technologique, à l'innovation technologique, et à la création de produits performants pour l'industrie des bobines d'induction, contribuant ainsi au développement et à l'application des produits électroniques.
EN