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 contrôleurs centraux hautement intégrés et les contrôleurs de domaine, notamment en matière de fiabilité des alimentations à découpage DC-DC, densité de puissance élevée, CEM des alimentations à découpage, rendement élevé, ainsi que d'efficacité économique.
Chez Qualcomm, en tant que fournisseur de contrôleurs de domaine de cockpit intelligents, les modèles SA8155 et SA8295 occupent une place importante. L'alimentation électrique au niveau SOC du contrôleur central de domaine (alimentation convertie à partir de l'entrée batterie, niveau 1), le courant transitoire, le courant de fonctionnement stable, l'efficacité en veille, le coût ainsi que la contradiction liée à la conception CEM (Compatibilité Électromagnétique) des alimentations à découpage sont désormais un énorme défi pour la conception d'alimentation BUCK. Comment résoudre et équilibrer ces contradictions constitue une direction technologique dans laquelle les fabricants de composants tels que l'architecture d'alimentation à découpage, les circuits intégrés d'alimentation, les inductances, les Mosfet et les condensateurs travaillent ensemble.
Dans cet article, concernant la conception de l'alimentation électrique de niveau 1 pour contrôle central automobile à courant de commutation dynamique élevé (100-300 %), nous explorons la conception d'une alimentation à découpage DC-DC, y compris le schéma d'alimentation, le choix de l'inductance et du condensateur ainsi que d'autres méthodes de conception. Nous prenons en compte les défis liés au volume, au coût, à l'efficacité et aux performances afin d'aboutir à une conception applicable dans des conditions réelles.
En prenant le contrôleur de domaine Qualcomm SA8295 comme exemple, ce chapitre présente une discussion et une mise en œuvre concrètes de la conception d'une alimentation à découpage BUCK primaire.
Ce chapitre nécessite une compréhension approfondie de la première partie de cette série (expliquant en détail la théorie et les calculs relatifs aux alimentations BUCK) et poursuit par la conception détaillée d'une alimentation BUCK basée sur le LM25149.
Cette série d'articles comprend trois parties (mises à jour continues à venir) :
01-Décryptage de la conception de l'alimentation électrique de niveau 1 du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Conception et calcul de l'alimentation électrique (publié)
02-Décryptage de la conception de l'alimentation électrique de niveau 1 du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Conception schématique et conception PCB (ce chapitre )
03-Décryptage de la conception de l'alimentation électrique de niveau 1 du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Analyse des mesures des tests de performance (à paraître)
1- Objectifs et défis de conception
1.1 Exigences en courant transitoire du SA8295
Tableau 1 : Exigences de conception de l'alimentation électrique SA8295
Remarque : La dernière conception SA8295 requiert 21A (1 NPU) et 24A (2 NPUs), que cette conception peut couvrir (protection contre les surintensités de 30A)
1.2 Objectifs de conception
Cette conception utilise le LM25149 pour concevoir l'alimentation principale du contrôleur de domaine , capable de supporter un courant transitoire de 24A (100µs) et répondant à la exigence d'un courant permanent supérieur à 10A, permettant d'atteindre un bon compromis entre taille, coût et performances.
Remarque : Le courant transitoire ne pose pas de problème thermique (pour le Qualcomm SA8295, le courant transitoire ne dure que 100µs). Cependant, un courant permanent élevé peut entraîner une augmentation significative de température, il est donc nécessaire d'évaluer l'impact sur les performances thermiques (le choix de la solution de conception doit être basé sur les conditions environnementales réelles).
2- Schéma et conception du circuit imprimé
2.1 Sélection des composants clés
Critères de sélection des composants pour l'alimentation à découpage au niveau du contrôleur de domaine : priorité aux performances, tout en tenant compte du coût et en réduisant la surface du PCB ; prendre en compte les problèmes d'EMC et de boucle de courant dans l'alimentation à découpage BUCK, conformément à la théorie et aux règles générales de conception des alimentations à découpage BUCK, il est possible de se référer à la méthodologie de conception standard.
Voir le chapitre 1 pour plus de détails sur la sélection et les calculs des composants électroniques (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design : Conception de l'alimentation et calculs)
Cette conception choisit l'option 2 (utilisation de huit condensateurs céramiques de 47uF en boîtier C1210). La conception n'est pas limitée à ce choix, la conception du produit peut être ajustée en fonction de la situation réelle du modèle, et l'optimisation peut être réalisée sur la base des résultats d'essais réels.
Tableau 2 : Alimentation BUCK - schéma de conception
2.1.1 Alimentation BUCK - sélection du MOSFET
Tableau 3 : Alimentation BUCK - sélection du MOSFET
2.1.2 Alimentation BUCK - sélection de l'inductance
Sélection de l'inductance utilisant le numéro de modèle : VSEB0660-1R0MV
Tableau 4 : Sélection de l'inductance
2.1.3 Alimentation BUCK - sélection du condensateur de filtrage de sortie
Tableau 5 : Alimentation BUCK - sélection du condensateur de filtrage de sortie
2.1.4 Alimentation BUCK - Sélection du condensateur de filtrage d'entrée
Tableau 6 : Alimentation BUCK - Sélection du condensateur de filtrage d'entrée
2.2 Conception des schémas et de la carte PCB
2.2.1 Conception des schémas et de la carte PCB : Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Figure 1 Présentation de Caritron EDA
Jialitron EDA est un outil gratuit de développement EDA avancé, puissant et efficace. Cette conception utilise Jialitron EDA pour concevoir le schéma et la carte PCB.
2.3 Alimentation BUCK - Conception du schéma
2.3.1 Alimentation BUCK - Conception du schéma
La conception du schéma s'appuie sur la fiche technique du LM25149-Q1 et sur la carte de développement officielle. La conception respecte les bases théoriques de l'alimentation à découpage BUCK ainsi que les exigences liées à la conception d'une alimentation primaire pour contrôleur haute tension.
Figure 2 Schéma LM25149
2.3.2 Alimentation BUCK - Technologie axée sur la conception du schéma
Circuit CEM du port d'entrée :
Points techniques :
① Le rôle principal de L1 est de réduire l'impact du bruit conduit rayonné par l'alimentation à découpage sur l'alimentation d'entrée, la fréquence de commutation de l'alimentation à découpage étant de 2,2 MHz ; L1 et C23 forment un filtre LC (C16 est un condensateur électrolytique destiné aux basses fréquences inférieures à 500 kHz), permettant de réduire de 60 dB à 2,2 MHz.
② C21 réduit le bruit de commutation (oscillations pendant les fronts montants et descendants du transistor d’alimentation) et principalement le bruit CEM compris entre 10 et 100 MHz.
③ Si C21 et C23 sont alimentés (avant protection), il est nécessaire de choisir un type de condensateur à terminaison flexible ; s'il s'agit d'une version protégée, on peut opter pour des condensateurs répondant aux spécifications automobiles. Il est également possible d'utiliser deux condensateurs en série avec une disposition orthogonale afin d'obtenir un mécanisme de protection similaire.
Pour les MOSFETs de puissance et la capacité d'entrée du LM25149, la capacité de découplage a les mêmes exigences ; cette conception n'est pas utilisée pour la vérification des performances. L'utilisation d'une céramique unique doit suivre les exigences de conception automobile pour la conception au niveau produit.
Remarque : La technologie active d'élimination du CEM du LM25419 et la double technique de spectre étalé aléatoire permettent uniquement de réduire dans une certaine mesure l'amplitude du CEM, mais ne peuvent pas l'éliminer complètement. Concernant les fréquences de commutation liées à 2,2 MHz et aux hautes énergies, les applications avec des courants élevés (≥ 10 A) présentent un risque de dépassement des normes. Il convient de se baser sur le débogage réel : si, après suppression du condensateur C23, les tests de rayonnement et de conduction restent conformes, il est possible d'économiser ce composant et ainsi réduire les coûts.
Condensateurs d'entrée pour l'alimentation BUCK :
① C2, C3 pour la capacité d'entrée de puissance BUCK, pour les performances EMC de l'alimentation à découpage est critique, sélection de capacité 10uF à 2MHz impédance proche ≤ 5mΩ, CGA4J1X8L1A106K125AC et CGA6P1X7S1A476M250AC ont des spécifications techniques intéressantes à titre de référence, la sélection des capacités peut être réalisée en X7R, tension de service 35V/50V, boîtier C1210 et C1206 sont possibles. Cette conception retient le boîtier C1210, ce qui permet de tester les performances avec davantage de modèles.
② C4 pour condensateur EMC de commutation haute fréquence, choisir X7R 50V, le boîtier C0402 convient.
C2, C3, C4, le tracé (layout) doit prêter attention à la boucle du courant (voir détails du tracé), conforme aux exigences fondamentales relatives à la capacité d'entrée de la puissance BUCK et à la théorie de conception, il est conseillé d'étudier la théorie de l'alimentation à découpage BUCK afin de mieux comprendre le rôle de la capacité d'entrée.
③ TP7,TP9,TP13 sont utilisés pour tester les signaux d'interrupteur TG, BG et SW, pour tester la raisonnableté du temps mort, les performances de oscillation (ringing), ainsi que les performances des fronts montants et descendants du MOSFET ; ils constituent un indicateur électrique important des performances des alimentations à découpage.
Le point de test TP de masse (GND) sert à réduire la boucle de masse lors des mesures à l'oscilloscope et à améliorer la précision des tests ; le tracé (LAYOUT) doit le placer aussi près que possible des points de test des signaux concernés.
Résistance de commande de la grille du MOSFET :
① R1 et R2 sont les résistances de commande de la grille du MOSFET, elles ont un effet important sur les fronts montants et descendants du MOSFET de puissance.
② La sélection de R1 et R2 est contrôlée par le courant de sortie du contrôleur d'alimentation BUCK (résistances PULL et PUSH du contrôleur, impédance de la grille du MOSFET de puissance et caractéristiques de charge (capacité d'entrée CISS)). Pour l'ensemble des raisons liées à la conception initiale, la somme totale des résistances doit être inférieure ou égale à 10 ohms, mais cela dépend également des caractéristiques de charge, nécessitant un réglage fin ultérieur pour choisir la valeur de résistance appropriée.
③ R1 et R2 constituent également les paramètres les plus critiques en matière de bruit de commutation EMC, tout en influençant les facteurs essentiels des pertes de commutation du circuit principal. Dans les applications pratiques, il est nécessaire d'équilibrer efficacité (chauffage du MOSFET) et EMC afin d'atteindre un point d'équilibre.
Remarque : 6 points de test pour mesurer les caractéristiques de commutation et le temps mort.
Boucle de puissance de sortie :
① Choix de l'inductance : Le choix de l'inductance repose sur deux critères principaux :
- Courant de fonctionnement transitoire : capable de fournir un courant de sortie transitoire de 21 (24) A (durée : 100 µs) ;
- Courant de fonctionnement en régime permanent : 10 A, capable de fonctionner de manière stable à un courant de 10 A (couvrant des conditions de température ambiante de 85 °C) ;
- Durée du courant de fonctionnement transitoire ≤ 100 µs, se produisant pendant la phase de démarrage, il suffit de s'assurer que l'inductance ne sature pas pour répondre aux exigences (respecter la valeur d'inductance nécessaire au courant) ;
② Choix de la résistance de mesure : choisir une résistance de mesure de boîtier R1206, dissipation thermique ≥ 0,5 W ;
③ Choix des condensateurs : voir chapitre « Filtre de sortie - Chapitre première partie » ;
Circuit de rétroaction :
Le LM25149 dispose d'une configuration de sortie fixe et d'une configuration de sortie avec rétroaction, veuillez consulter la fiche technique pour plus de détails ;
① R14l connecté à VDDA, sortie 3,3 V
② R14 = 24,9 K, sortie 5,0 V
③ R14 = 49,9 K, sortie 12,0 V
Ne pas monter R14, configurer la tension de sortie à l'aide des résistances R9 et R10 ;
R19 et TP3, TP4 réservés : pour les tests, marge de phase, fréquence de croisement, etc.
Remarque : TP3 et TP4 sont utilisés pour les tests, la marge de phase, la fréquence de croisement, etc.
Paramétrage de fonction :
① EN : Signal d'activation, ≥1,0 V allume l'alimentation, peut être utilisé pour une protection précise contre les baisses de tension ;
② Sync-PG : Sortie synchrone ou Power Good, cette conception est utilisée pour le signal Power Good ;
③ PFM/SYNC
-Jumper par défaut (NC) : Diode analogique, sortie à faible courant, peut fonctionner avec un haut rendement ;
-Pont de court-circuit vers GND, forçant le mode CCM ;
④ Réglage du mode de fonctionnement du circuit intégré : cinq modes de fonctionnement au total (se référer à la fiche technique)
2.4 Alimentation BUCK - Conception du circuit imprimé
2.4.1 Alimentation BUCK - conception PCB
① -TOP
② -GND
③ -Signal
④ -Bottom
2.4.2 Alimentation BUCK - focus technologique de la conception PCB
Boucles de capacité d'entrée et de sortie :
① Les capacités d'entrée et de sortie de l'alimentation BUCK doivent maintenir une boucle minimale, ce qui a un impact important sur la CEM ;
② C4 est principalement utilisée pour absorber le bruit des oscillations des fronts montants et descendants de commutation.
Boucles des MOSFETs et de l'inductance :
① L'utilisation de MOSFETs deux-en-un réduit la surface du circuit imprimé et diminue les coûts, mais l'inconvénient est que le tracé SW ne peut pas maintenir la boucle minimale ;
② Le point SW du MOSFET deux-en-un ne peut pas réaliser un alignement sur la même couche du PCB, et il est nécessaire de changer de couche pour dessiner la zone afin d'assurer la continuité du courant d'alimentation.
Courant d'échantillonnage :
① Le courant d'échantillonnage nécessite un alignement différentiel avec un plan GND de référence ;
② Le contrôle de l'impédance et l'égalité des longueurs ne sont pas requis, et l'alignement doit respecter l'espacement minimal du tracé.
Réaction FB (Feedback) :
Les résistances et autres composants doivent être placés près des broches de la puce de contrôle.
Dissipation thermique et GND :
Composants générateurs de chaleur : MOSFETs, inductances et résistances d'échantillonnage, vous pouvez augmenter la surface des plans pour améliorer l'évacuation de la chaleur, et ajouter des vias GND pour améliorer les conditions de dissipation thermique de l'ensemble du circuit.
3 - Alimentation BUCK à niveau contrôlé par domaine - Résumé
3.1 Dessin 3D
figure 3D-1
figure 3D-2
3.2 Résumé de conception
① La conception de l'alimentation à découpage adopte une conception en 4 couches avec une épaisseur de PCB de 1,6 mm et une taille de 30X65 mm ;
② Le courant de sortie peut satisfaire le courant transitoire maximum de 24A du Qualcomm SA8295, supporte une capacité de sortie en régime permanent de 10A ou plus.
4- À propos Codaca Électronique
Codaca met l'accent sur la recherche et développement indépendante des inductances, leur conception et fabrication ; le VSEB0660-1R0M convient au développement et à l'application sur la plateforme Qualcomm. Il présente les avantages techniques d'un rapport qualité-prix élevé, d'une forte résistance au courant de saturation, d'une faible génération de chaleur et d'un rapport puissance/volume leader dans l'industrie. Codaca met l'accent sur la recherche technologique, l'innovation et le développement de produits excellents pour l'industrie des inductances, afin d'aider au développement et à l'application des produits électroniques.
5- Tests et vérification
Pour la vérification des tests de suivi, veuillez vous référer à : 03-Décryptage de la conception de l'alimentation électrique de niveau 1 du contrôleur de domaine automobile de Qualcomm : analyse des mesures de performance (à paraître)
[Référence]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/fr/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E ： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
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