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Le développement rapide de l'industrie des véhicules à énergie nouvelle a favorisé la croissance explosive de diverses chaînes industrielles, et l'intelligence automobile ainsi que la conduite autonome sont devenus les directions stratégiques les plus importantes pour la compétitivité des véhicules électriques, ouvrant de nouveaux défis et opportunités pour le cerveau central hautement intégré et les contrôleurs de domaine, en particulier en ce qui concerne la fiabilité, la densité de puissance élevée, la CEM, l'efficacité élevée et le rapport coût-efficacité des alimentations à découpage DC-DC.
En tant que fournisseur de contrôleurs de domaine pour cockpit intelligent, les SA8155 et SA8295 occupent une position importante, et la contradiction entre le courant transitoire, le courant de fonctionnement stable, l'efficacité en veille, le coût et la conception EMC de l'alimentation à découpage du SOC principal de l'alimentation primaire du contrôleur de domaine central (alimentation convertie à partir du niveau primaire d'entrée de la batterie) est devenue un défi majeur pour la conception de l'alimentation BUCK. Résoudre et équilibrer ces contradictions constitue la direction technologique vers laquelle convergent les architectures d'alimentation à découpage, les circuits intégrés d'alimentation, les inductances, les MOSFET et les fabricants de condensateurs.
Cet article traite de la conception de l'alimentation à découpage DC-DC pour l'alimentation primaire du contrôle central de domaine avec grande dynamique de commutation (100-300 %), incluant le schéma d'alimentation, le choix des inductances, des condensateurs et d'autres méthodes de conception, tout en tenant compte des défis liés aux dimensions, au coût, à l'efficacité et aux performances.
Ce chapitre prend le contrôleur de domaine Qualcomm SA8295 comme exemple pour discuter et mettre en œuvre la conception pratique de l'alimentation à découpage BUCK de premier niveau.
Ce chapitre nécessite la lecture de la première série (théorie détaillée et calcul de l'alimentation à découpage BUCK) et la conception détaillée de l'alimentation BUCK basée sur le LM25149.
Cette série d'articles se compose de trois parties (mises à jour en cours) :
02-Décodage de la conception de l'alimentation primaire pour contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Conception du schéma et conception du PCB (ce chapitre)
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 : Les dernières exigences de conception pour le SA8295 sont de 21 A (1 NPU) et 24 A (2 NPUs), et cette conception peut couvrir (protection contre les surintensités de 30 A)
1.2 Objectifs de conception
Cette conception utilise un Contrôleur de domaine LM25149 conçu pour l'alimentation de premier niveau , qui peut satisfaire aux exigences de courant transitoire de 24 A (100 µs) et répondre aux conditions de fonctionnement en régime permanent supérieures à 10 A, permettant ainsi un équilibre complet entre volume, coût et performance.
Remarque : Le courant transitoire ne provoque pas de problème de génération de chaleur (pour Qualcomm SA8295 uniquement un courant transitoire de 100 µs), un courant élevé en régime permanent entraînera une augmentation de l'élévation de température, dont l'effet doit être mesuré (le schéma de conception est choisi selon les conditions environnementales réelles).
2- Schéma et conception du circuit imprimé
2.1 Sélection des composants clés
Les critères de sélection des composants principaux d'alimentation à découpage pour le contrôleur de domaine : performance d'abord, prise en compte du coût et réduction de la surface du circuit imprimé ; en tenant compte du problème CEM et du problème de boucle de courant de l'alimentation à découpage BUCK, cela respecte la théorie et les règles générales de conception des alimentations à découpage BUCK, et la méthode de conception classique peut être consultée.
Pour plus de détails sur la sélection et le calcul des composants électroniques, veuillez vous reporter au chapitre 1 ( Décodage de la conception de l'alimentation primaire du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Conception et calcul de l'alimentation )
Option 2 pour cette conception (utilisant huit condensateurs céramiques de 47 µF en boîtier C1210). La conception n'est pas limitée à ce choix, et la conception du produit peut être ajustée selon la situation réelle, l'optimisation étant réalisée selon les résultats des tests effectués.
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
La sélection de l'inductance adopte le modèle : VSEB0660-1R0MV
Tableau 4 : Sélection de l'inductance
2.1.3 Sélection du condensateur de filtrage de sortie pour l'alimentation BUCK
Tableau 5 : Sélection du condensateur de filtrage de sortie pour l'alimentation BUCK
2.1.4 Alimentation BUCK - sélection des condensateurs de filtrage d'entrée
Tableau 6 : Alimentation BUCK - sélection des condensateurs de filtrage d'entrée
2.2 Conception des schémas et de la carte PCB
2.2.1 Schéma et conception PCB : JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Figure 1 Présentation de Caritron EDA
JLC Technology EDA est l'outil de développement EDA gratuit leader en Chine, doté de fonctions puissantes et d'une haute efficacité de développement ; cette conception utilise le schéma et le PCB conçus avec JLC Technology EDA.
2.3 Alimentation BUCK - Conception du schéma
2.3.1 Alimentation BUCK - Conception du schéma
La conception de principe se réfère à la spécification LM25149-Q1 et à la carte de développement officielle, et la conception répond aux principes fondamentaux des alimentations à découpage BUCK ainsi qu'aux exigences de conception de l'alimentation primaire des contrôleurs haute performance.
Figure 2 Schéma du circuit LM25149
2.3.2 Alimentation BUCK - technologie clé dans la conception du schéma
Circuit EMC d'entrée :
Points techniques :
① La fonction principale de L1 est de réduire l'impact du bruit conduit et rayonné provenant de l'alimentation à découpage sur l'alimentation d'entrée. La fréquence de commutation de l'alimentation à découpage est de 2,2 MHz. L1 et C23 forment un circuit filtre LC (C16 étant le condensateur électrolytique, destiné principalement aux basses fréquences inférieures à 500 kHz), ce qui permet une atténuation de 60 dB à 2,2 MHz.
② C21 réduit le bruit de commutation (oscillations aux fronts montant et descendant du transistor de puissance), en atténuant principalement le bruit EMC dans la plage de 10 à 100 MHz.
③ Si les composants C21 et C23 sont utilisés dans des alimentations de premier niveau (avant protection), vous devez choisir un modèle de condensateur à cosses souples, et s'il est protégé, vous pouvez choisir un condensateur de qualité automobile. Un mécanisme de protection similaire peut également être mis en œuvre en utilisant deux condensateurs disposés en série.
Les mêmes exigences s'appliquent aux MOSFET de puissance et aux condensateurs de découplage d'entrée LM25149 ; cette conception n'est pas utilisée pour la vérification des performances, un seul condensateur céramique étant utilisé, et la conception au niveau produit suit les exigences des conceptions de qualité automobile.
Remarque : La technologie active d'annulation EMC LM25419 et la double spectre d'étalement aléatoire réduisent seulement dans une certaine mesure l'amplitude EMC, et l'EMC ne peut pas être éliminée complètement ; pour les fréquences de commutation liées à 2,2 MHz et les applications à courant élevé (≥10 A), il subsiste un risque de dépassement des normes. Le réglage réel prévaudra. Si, après suppression de C23, la radiation conduite peut tout de même être respectée, alors l'usage de C23 peut être supprimé afin de réduire les coûts.
Condensateurs d'entrée pour l'alimentation BUCK :
① C2 et C3 sont des condensateurs d'entrée pour l'alimentation BUCK, essentiels pour la performance EMC de l'alimentation à découpage. Pour les condensateurs de 10 µF, on choisira une impédance autour de 2 MHz ≤ 5 mΩ. Les modèles CGA4J1X8L1A106K125AC et CGA6P1X7S1A476M250AC présentent de bons indicateurs techniques à titre de référence. Le choix du condensateur peut se porter sur du X7R, avec une tenue en tension de 35 V/50 V ; les boîtiers C1210 et C1206 sont disponibles. Ce design retient le boîtier C1210, qui permet une large vérification des performances sur différents modèles.
② C4 est un condensateur EMC à commutation haute fréquence, choisissez 50 V X7R, boîtier C0402.
C2, C3, C4 : la disposition doit tenir compte de la boucle de courant (se référer aux détails de la disposition), satisfaire aux exigences fondamentales de capacité d'entrée d'une alimentation BUCK et à la théorie de conception ; vous pouvez approfondir vos connaissances en étudiant la théorie des alimentations à découpage BUCK afin de mieux comprendre le rôle du condensateur d'entrée.
③ TP7, TP9, TP13 sont utilisés pour mesurer les signaux TG, BG et SW du commutateur, et permettent d'évaluer le caractère approprié du temps mort, les performances de résonance ainsi que les caractéristiques des fronts montants et descendants du MOSFET ; il s'agit d'un indice important d'évaluation des performances électriques de l'alimentation à découpage.
Le point de test TP de masse (GND) permet de réduire la boucle de masse lors des mesures à l'oscilloscope et d'améliorer la précision des tests ; la disposition (LAYOUT) doit prévoir de placer ce point de test aussi proche que possible du signal à tester.
Résistance de commande de la grille du MOSFET :
① R1 et R2 sont les résistances de commande de grille du MOSFET, qui ont un impact important sur les fronts montants et descendants du MOSFET de puissance.
② Le choix de R1 et R2 est influencé par plusieurs facteurs combinés liés au courant de sortie du contrôleur d'alimentation BUCK commandé (contrôleur (résistance PULL et PUSH), impédance de grille et caractéristiques de charge du MOSFET de puissance (capacité d'entrée CISS)), et la résistance totale de l'ensemble est choisie ≤ 10 ohms lors de la conception initiale, ce qui dépend également des caractéristiques de charge, et nécessite un réglage fin pour sélectionner la valeur de résistance appropriée.
③ R1 et R2 sont également les paramètres clés ayant le plus d'impact sur les perturbations électromagnétiques EMC liées à la commutation, ainsi que sur les pertes de commutation dans le circuit principal.
Remarque : 6 points de test sont utilisés pour mesurer les caractéristiques de commutation et le temps mort.
Boucle de puissance de sortie :
① Sélection de l'inductance : La sélection de l'inductance prend principalement en compte deux facteurs :
- Courant de fonctionnement transitoire : capable de fournir temporairement 24 A (durée : 100 µs) ;
- Courant de fonctionnement en régime permanent : 10 A, pouvant fonctionner de manière stable à un courant de 10 A (y compris dans des conditions de température ambiante de 85 °C)
- La durée du courant de fonctionnement transitoire est ≤ 100 µs, et il apparaît pendant la phase de démarrage ; seule la condition garantissant que l'inductance n'est pas saturée peut satisfaire aux exigences (respecter la valeur d'inductance au courant donné).
② Sélection de la résistance de mesure : La résistance de mesure est choisie en boîtier R1206, avec une puissance de dissipation thermique ≥ 0,5 W ;
③ Sélection des condensateurs : Référence : chapitre sur le condensateur de filtrage de sortie dans la première partie du chapitre ;
Circuit de rétroaction :
Le LM25149 dispose d'une configuration de sortie fixe et d'une configuration de rétroaction, dont le contenu détaillé est décrit dans la fiche technique ;
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
La tension de sortie est configurée à l’aide de R14, R9 et R10 sur l’autocollant vierge ;
R19 et les points réservés TP3, TP4 : pour les tests, la marge de phase, la fréquence de traversée, etc. ;
Remarque : TP3 et TP4 sont utilisés pour mesurer la marge de phase, la fréquence de traversée, etc. ;
Paramétrage des fonctions :
① EN : signal d’activation, mise sous tension ≥ 1,0 V, pouvant être protégé par une détection précise de sous-tension ;
② Sync-PG : sortie synchrone ou Power Good, cette conception étant destinée à Power Good ;
③ PFM/SYNC
-Jumpers par défaut (NC) : diode analogique, sortie de faible courant, peut fonctionner à haut rendement ;
-Jumper en court-circuit vers la masse (GND), mode CCM forcé ;
④ Réglage du mode de fonctionnement de la puce : au total 5 modes de fonctionnement (voir le manuel des spécifications).
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 - technologie clé pour la conception du PCB
Boucles des condensateurs d'entrée et de sortie :
① Les condensateurs d'entrée et de sortie de l'alimentation BUCK doivent former une boucle minimale, ce qui a un impact important sur la CEM ;
② C4 est principalement utilisé pour absorber le bruit de résonance des fronts montants et descendants de l'interrupteur.
Boucles des MOSFETs et de l'inductance :
① L'utilisation de MOSFETs intégrés double fonctions réduit la surface d'implantation et les coûts, mais présente l'inconvénient de ne pas pouvoir maintenir une boucle minimale au niveau du routage ;
② Le point SW des MOSFETs 2-en-1 ne permet pas d'assurer un routage sur la même couche du PCB, et il est nécessaire de changer de couche pour garantir la continuité du courant de puissance.
Courant d'échantillonnage :
① Le courant de prélèvement doit être constitué de pistes différentielles, et il doit y avoir un plan de référence GND ;
② Il n'est pas nécessaire de contrôler l'impédance ni l'égalité des longueurs, les pistes devant simplement 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 générant de la chaleur : les MOSFET, les inductances et les résistances de mesure peuvent bénéficier d'une augmentation appropriée de la conduction thermique dans la zone du plan, et l'ajout de vias GND peut contribuer à améliorer les conditions de dissipation thermique de l'ensemble du circuit.
conception d'une alimentation BUCK de première classe contrôlée 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 structure à 4 couches, avec une épaisseur de PCB de 1,6 mm et des dimensions de 30 x 65 mm ;
② Le courant de sortie peut satisfaire le courant transitoire maximal du Qualcomm SA8295 de 24 A, et prend en charge une capacité de sortie en régime permanent supérieure à 10 A.
4- À propos Codaca Électronique
Codaca se concentre sur la conception, la recherche et développement indépendants ainsi que la fabrication d'inductances, et le modèle VSEB0660-1R0M convient au développement et à l'application des plateformes Qualcomm. Il présente des avantages techniques tels qu'un excellent rapport coût-performance, une forte capacité de résistance à l'anti-saturation du courant et une faible génération de chaleur, ainsi qu'un rapport puissance-volume leader dans l'industrie. Codaca met l'accent sur la recherche et développement technologique, l'innovation technique, développe des produits excellents pour l'industrie des inductances et contribue au développement et à l'application des produits électroniques.
5- Tests et vérification
Pour les tests et vérifications ultérieurs, veuillez vous référer à : 03- Décodage de la conception de l'alimentation primaire du contrôleur de domaine automobile Qualcomm : Analyse des mesures de test de performance .
[Référence]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/fr/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E ： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E