नई ऊर्जा वाहन उद्योग के तेजी विकास ने विभिन्न औद्योगिक श्रृंखलाओं में विस्फोटक वृद्धि को प्रेरित किया है। वाहन बुद्धिमता और स्वतंत्र चालन नई ऊर्जा वाहनों के लिए सबसे महत्वपूर्ण प्रतिस्पर्धी किनारे की दिशाओं बन गए हैं, जो अत्यधिक एकीकृत केंद्रीय दिमाग और डोमेन कंट्रोलरों के लिए नए चुनौतियों और अवसर प्रस्तुत करते हैं, विशेष रूप से डीसी-डीसी स्विचन पावर सप्लाइयों के संबंध में विराम, उच्च शक्ति घनत्व, स्विच पावर सप्लाई ईएमसी, उच्च दक्षता और उच्च लागत-प्रदर्शन के संबंध में।
क्वालकॉम, इंटेलिजेंट कॉकपिट डोमेन कंट्रोलर के आपूर्तिकर्ता के रूप में, SA8155 और SA8295 के साथ एक महत्वपूर्ण स्थिति में है। सेंट्रल डोमेन कंट्रोलर SOC प्राथमिक बिजली (बैटरी इनपुट से प्राथमिक रूपांतरण तक की बिजली) के ट्रांजिएंट धारा, स्थिर संचालन धारा, स्टैंडबाय बिजली दक्षता, लागत और स्विच-मोड बिजली आपूर्ति (SMPS) EMC डिज़ाइन के बीच संघर्ष BUCK बिजली आपूर्ति डिज़ाइन के लिए एक प्रमुख चुनौती बन जाते हैं। इन संघर्षों को कैसे सुलझाया जाए और संतुलित किया जाए, यह वह तकनीकी दिशा है जहाँ स्विच-मोड बिजली आपूर्ति वास्तुकला, बिजली चिप्स, इंडक्टर्स, मॉसफेट्स और संधारित्र एक साथ काम करते हैं।
यह लेख ऑटोमोटिव एप्लिकेशन के लिए सेंट्रल डोमेन कंट्रोलर की प्राथमिक बिजली आपूर्ति के डिज़ाइन को बड़े गतिशील स्विच-मोड बिजली आपूर्ति धारा (100-300%) के साथ जोड़ता है, डीसी-डीसी स्विच-मोड बिजली आपूर्ति के डिज़ाइन, बिजली आपूर्ति समाधान, प्रेरक और संधारित्र चयन विधियों सहित की जाँच करता है। यह आकार, लागत, दक्षता और प्रदर्शन में चुनौतियों को दूर करते हुए व्यावहारिक डिज़ाइन पर चर्चा करता है और उसका कार्यान्वयन करता है।
यह लेख क्वालकॉम के SA8295 डोमेन कंट्रोलर को उदाहरण के रूप में लेते हुए प्राथमिक BUCK स्विच-मोड बिजली आपूर्ति के व्यावहारिक डिज़ाइन की जाँच और कार्यान्वयन करता है।
इस लेख श्रृंखला में तीन भाग शामिल हैं (लगातार अपडेट किए जाएंगे):
01- क्वालकॉम ऑटोमोटिव डोमेन कंट्रोलर प्रथम चरण बिजली आपूर्ति डिज़ाइन को समझना: बिजली आपूर्ति डिज़ाइन और गणना (यह अध्याय)
1- डिज़ाइन उद्देश्य और चुनौतियाँ
1.1 SA8295 के लिए संक्रमणकालीन धारा आवश्यकताएं
तालिका 1: SA8295 बिजली डिज़ाइन आवश्यकताएं
1.2 SA8295 स्टैंडबाइ करंट आवश्यकताएँ
क्वालकॉम SOC 3.3V पावर सप्लाई स्टैंडबाइ पावर खपत 4-7.5mA के भीतर (मेमोरी स्व-ताज़ा करने की खपत सहित), स्टैंडबाइ जगाने का समर्थन करता है।
सेंट्रल ब्रेन (केबिन डोमेन कंट्रोलर) समग्र वाहन वर्तमान बजट 7-10mA (13.5V), 4G/5G मॉड्यूल अकेले 4-5mA की खपत करता है, क्वालकॉम SA8295 वर्तमान 13.5V 3mA (40mW) या उससे कम।
1.3 तीन चुनौतियाँ
1.3.1 चुनौती 1: क्वालकॉम डोमेन कंट्रोलर SA8295 स्विचिंग पावर सप्लाई धारा आउटपुट
बड़ी ट्रांजिएंट धारा, 3.3V, 18 एम्पियर (0.1ms), 0.1ms DC-DC स्विचिंग पावर सप्लाई के लिए पहले से ही एक लंबी अवधि का स्थिर अवस्था आउटपुट है, जिसमें बक पावर सप्लाई को स्थिर 18 एम्पियर आउटपुट के लिए डिज़ाइन करने की आवश्यकता होती है।
1.3.2 चुनौती 2: उच्च-गुणवत्ता वाले डोमेन कंट्रोलर SA8295 स्विचिंग पावर सप्लाई डायनेमिक
SA8295 डोमेन कंट्रोलर की स्थिर अवस्था कार्य धारा 5-9 एम्पियर है, जो स्विचिंग पावर सप्लाई प्रेरक में 300% से अधिक के स्थिर कार्य धारा अंतर का कारण बनेगी (प्रेरक नामित धारा के व्युत्क्रमानुपाती होता है) जिसके परिणामस्वरूप आयतन, लागत और आवृत्ति में महत्वपूर्ण टकराव होते हैं।
1.3.3 चुनौती 3: उच्च-गुणवत्ता वाले डोमेन कंट्रोलर SA8295 स्विचिंग पावर सप्लाई माइक्रो-पावर दक्षता
स्टैंडबाय पावर खपत, जिसमें 13.5V 3mA पर 70% की दक्षता होती है, यह पावर सप्लाई नियंत्रक आर्किटेक्चर और इंडक्टर चयन डिज़ाइन के लिए एक बड़ी चुनौती प्रस्तुत करती है।
यह डिज़ाइन अधिकतम SA8295 प्राथमिक बक पावर सप्लाई डिज़ाइन की चुनौती पर आधारित है, जो स्विचिंग पावर सप्लाई और DC-DC तकनीकी समाधानों की मुख्य कठिनाइयों का पता लगाता है।
2- समाधान चयन तुलना
2.1 क्वालकॉम SA8295 डोमेन नियंत्रण पावर सप्लाई तकनीकी आवश्यकताएं
तालिका 2 में दर्शाया गया है:
तालिका 2: क्वालकॉम SA8295 पावर डिज़ाइन तकनीकी विशिष्टता आवश्यकताएँ
2.2 डिज़ाइन योजना और तकनीकी दस्तावेज़
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, आदि सभी डिज़ाइन आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं। इस डिज़ाइन में इस परियोजना के लिए केंद्रीय मस्तिष्क डोमेन नियंत्रक की प्राथमिक पावर सप्लाई डिज़ाइन योजना के रूप में LM25149-Q1 का चयन किया गया है।
2.2.1 आधिकारिक LM25149-Q1 पता:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
तालिका 3: LM25149-Q1 डिज़ाइन संदर्भ सामग्री
2.2.2 LM25149-Q1 विशिष्टता पत्रक:
2.2.3 LM25149-Q1 डेवलपमेंट बोर्ड:
LM25149-Q1 EVM उपयोगकर्ता मार्गदर्शिका (संस्करण A) (ti.com.cn)
2.2.4 एक्टिव फिल्टर स्थिरता और प्रदर्शन:
एक्टिव EMI फिल्टर्स की स्थिरता और प्रदर्शन सुनिश्चित कैसे करें (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 डिज़ाइन टूल :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC गणना उपकरण | TI.com
3- सिंक्रोनस बक पावर सप्लाई डिज़ाइन और गणना
3.1 LM25149 की मुख्य विनिर्देश और डिज़ाइन पैरामीटर
तालिका 4: क्वालकॉम SA8295 पावर डिज़ाइन तकनीकी विशिष्टताएँ आवश्यकताएँ
दक्षता
सक्रिय ईएमआई फ़िल्टर
ईएमआई परीक्षण
संदर्भ डिज़ाइन स्कीमैटिक
संदर्भ डिज़ाइन समाधान मूल्यांकन बोर्ड
3.2 LM25149 समकालिक बक इंडक्टर चयन गणना
3.2.1 समकालिक बक स्विचन बिजली की आपूर्ति गणना सूत्र:
तालिका 5: समकालिक बक पावर सप्लाई डिज़ाइन गणना सूत्र
3.3 न्यूनतम प्रेरक की गणना
(गणना सूत्र, तालिका 5 देखें)
तालिका 6: न्यूनतम प्रेरकत्व गणना वक्र चार्ट (∆I=0.3)
तालिका 7: न्यूनतम प्रेरत्व गणना
3.3.1 प्रेरकत्व गणना डेटा का सारांश:
① यदि डिज़ाइन 6-20A (AI=0.3 गणना) की सीमा को कवर करता है, 16V इनपुट और 6A आउटपुट के साथ, प्रेरकत्व ≥0.69μH होना चाहिए।
② स्विचिंग पावर सप्लाई प्रेरकत्व Lmin की सैद्धांतिक गणना: ≥ 0.69μH (सैद्धांतिक);
③ वास्तविक डिज़ाइन चयन और प्रेरक की सहिष्णुता ±20% को ध्यान में रखते हुए, इष्टतम डिज़ाइन के रूप में 0.82μH और 1.0μH का चयन करें (प्रेरकत्व मान बढ़ाने से प्रेरक का आकार, लागत बढ़ती है, और SRF कम होता है)
3.4 प्रेरक धारा गणना
(सूत्र: तालिका 5, आइटम 1 और 2 देखें)
तालिका 8: 0.82μH प्रेरक धारा गणना
तालिका 9: 1.0μH प्रेरक धारा गणना
3.4.1 सैद्धांतिक गणना अनुसार प्रेरक संतृप्ति धारा ≥ 20.76A, निकटतम 21A तक पूर्णांकित:
तालिका 10: इंडक्टर विरूपण
4- स्विचिंग पावर सप्लाई के लिए इंडक्टर का चयन
तालिका 11: इंडक्टर का चयन
4.1 एलएम25149 के लिए स्विचिंग पावर सप्लाई में करंट सैंप्लिंग प्रतिरोध की गणना
तालिका 12: करंट सैंप्लिंग प्रतिरोध की सैद्धांतिक गणना
तालिका 13: करंट सैंप्लिंग प्रतिरोध का चयन
4.2 सिंक्रोनस बक स्विचिंग पावर सप्लाई के लिए आउटपुट कैपेसिटर की गणना
(आउटपुट कैपेसिटर गणना: तालिका 5 में समानुपातिक समीकरण को देखें)
तालिका 14: सिंक्रोनस बक स्विचिंग पावर सप्लाई के लिए आउटपुट कैपेसिटर की गणना
सिंक्रोनस बक विद्युत परिवर्तन शासित बिजली आपूर्ति डिज़ाइन के लिए, इनपुट और आउटपुट फ़िल्टर संधारित्रों के प्रदर्शन, आकार और लागत के बीच एक समझौता होता है। संधारित्र विशिष्टता परीक्षण विशिष्ट परिस्थितियों के तहत किया जाता है, और परीक्षण के दौरान उपकरण में भिन्नता समान विशिष्टता के लिए 10-50% की अशुद्धि उत्पन्न कर सकती है। अंतिम डिज़ाइन प्रदर्शन के लिए डिबगिंग प्रक्रिया के माध्यम से वैज्ञानिक सत्यापन और परीक्षण की आवश्यकता होती है (एकमात्र इष्टतम समाधान नहीं है; केवल विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त योजना का चयन किया जाता है)।
स्विच संधारित्रों को निम्नलिखित मापदंडों को पूरा करना चाहिए: धारिता ≥ 320uF (ओवरशूट आवश्यकता), सिरेमिक संधारित्र की धारिता 2.435uF से अधिक (मुख्य शर्त नहीं है, आवश्यकता को पूरा करना पर्याप्त है)।
तालिका 15: स्विचन पावर सप्लाई के लिए आउटपुट फ़िल्टर संधारित्र मॉडल के अनुशंसित चयन
तालिका 16: स्विचन पावर सप्लाई के लिए आउटपुट फ़िल्टर संधारित्र का डिज़ाइन
4.3 LM25149 पावर सप्लायर के लिए इनपुट संधारित्र की गणना
4.3.1 इनपुट धारिता गणना
टेबल 17: स्विचन पावर सप्लाई के लिए इनपुट फ़िल्टर कैपेसिटर की गणना
टेबल 18: स्विचन पावर सप्लाई के लिए आउटपुट फ़िल्टर का चयन
4.4 LM25149 मॉस्फेट चयन गणना
4.4.1 मॉसफेट गणना
LM25149 डेटाशीट में कई गणनाओं और चयन गणनाओं का समावेश नहीं है। QG गणनाएँ और चयन अनुभवजन्य अनुमानों और व्युत्क्रम तर्कों पर आधारित हैं। गणना के परिणाम 4.5-5.0V Vgs और ≤22nC का मान दर्शाते हैं। गणना प्रक्रिया नीचे दी गई तालिका में दिखाई गई है। मिलर प्लेटफॉर्म को 2-3V (लगभग 3V भी स्वीकार्य है) के रूप में चुना गया है, और Rdson को ≤8mΩ के रूप में चुना गया है।
तालिका 19: मॉस्फेट चयन और गणना
4.5 मॉस्फेट चयन सिफारिशें
तालिका 20: मॉस्फेट चयन मॉडल
4.6 LM25149 FB और क्षतिपूर्ति गणना
तालिका 21: FB और क्षतिपूर्ति गणना
4.7 LM25149 EMC डिज़ाइन गणना
बहुत अधिक विश्लेषण में जाए बिना, विनिर्देशों को देखें।
5- डिज़ाइन सारांश
lM25149 बक पावर सप्लाई डिज़ाइन और चयन का सारांश
तालिका 22: डिज़ाइन और चयन
समाधान का सारांश
सिंक्रोनस स्विचिंग पावर सप्लाई के प्रदर्शन और दक्षता कई कारकों से प्रभावित होते हैं। प्रदर्शन और विशिष्टताओं को व्यावहारिक कारकों पर विचार करने की आवश्यकता होती है। व्यावहारिक डिजाइन के लिए सैद्धांतिक मार्गदर्शन प्रदान करने के लिए इस अध्याय का उपयोग सैद्धांतिक गणना के लिए किया जाता है। डिजाइन के प्रदर्शन और विशिष्टताओं का संबंध घटक प्रदर्शन, उपयोग की स्थितियों, लेआउट आदि से निकटता से जुड़ा होता है, तथा सख्त परीक्षण और सत्यापन की आवश्यकता होती है।
क्वालकॉम डोमेन कंट्रोलर्स के लिए सिंक्रोनस बक पावर सप्लाई डिज़ाइन कंट्रोलर डिज़ाइन का एक चुनौतीपूर्ण क्षेत्र है, जिसमें प्रदर्शन, आकार और लागत के बीच संतुलन बनाए रखना आवश्यक होता है। CODACA पावर इंडक्टर्स और कॉमन मोड चोक्स के स्वतंत्र अनुसंधान एवं विकास तथा डिज़ाइन पर केंद्रित है। CSEB0660-1R0M क्वालकॉम प्लेटफॉर्म विकास और अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है, जो उच्च लागत-प्रभावशीलता, संतृप्ति धारा के प्रति मजबूत प्रतिरोध, कम ऊष्मा उत्पादन और उद्योग में अग्रणी शक्ति-आयतन अनुपात प्रदान करता है। CODACA तकनीकी अनुसंधान एवं नवाचार में समर्पित है, इंडक्टर उद्योग के लिए उत्कृष्ट उत्पादों का विकास करता है तथा इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के विकास और अनुप्रयोग में योगदान देता है।
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