नई ऊर्जा वाहन उद्योग के त्वरित विकास ने विभिन्न औद्योगिक श्रृंखलाओं के विस्फोटक विकास को बढ़ावा दिया है, और मोटर वाहन बुद्धिमत्ता तथा स्वायत्त चालन नई ऊर्जा वाहनों की सबसे महत्वपूर्ण मुख्य प्रतिस्पर्धात्मकता दिशा बन गए हैं, जिससे अत्यधिक एकीकृत केंद्रीय मस्तिष्क और डोमेन नियंत्रक को नए चुनौतियाँ और अवसर प्राप्त हुए हैं, विशेष रूप से डीसी-डीसी स्विचन बिजली आपूर्ति की विश्वसनीयता, उच्च शक्ति घनत्व, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक संगतता (EMC), उच्च दक्षता और लागत प्रभावीता के लिए।
बुद्धिमान कॉकपिट डोमेन कंट्रोलर के आपूर्तिकर्ता के रूप में, SA8155 और SA8295 की एक महत्वपूर्ण स्थिति है, और क्षणिक धारा, स्थिर संचालन धारा, स्टैंडबाय दक्षता, लागत और केंद्रीय डोमेन नियंत्रण SOC प्राथमिक बिजली आपूर्ति (बैटरी इनपुट प्राथमिक स्तर से परिवर्तित बिजली आपूर्ति) के स्विचन बिजली आपूर्ति EMC डिज़ाइन के बीच विरोधाभास BUCK बिजली आपूर्ति डिज़ाइन के लिए एक विशाल चुनौती बन गया है। इन विरोधाभासों को कैसे हल करें और संतुलित करें, यह स्विचन बिजली आपूर्ति वास्तुकला, बिजली आपूर्ति चिप्स, प्रेरक, मॉसफेट और संधारित्र निर्माताओं के साथ काम करने की तकनीकी दिशा है।
इस पेपर में बड़े डायनेमिक स्विचिंग पावर सप्लाई (100-300%) के मुख्य पावर सप्लाई के डिजाइन के लिए डीसी-डीसी स्विचिंग पावर सप्लाई के डिजाइन पर चर्चा की गई है, जिसमें पावर सप्लाई योजना, इंडक्टर, कैपेसिटर चयन और अन्य डिजाइन विधियों को आयाम, लागत, दक्षता और प्रदर्शन चुनौतियों को ध्यान में रखकर शामिल किया गया है।
इस अध्याय में क्वालकॉम SA8295 डोमेन नियंत्रक के उदाहरण के रूप में लेकर प्रथम-स्तरीय BUCK स्विचिंग पावर सप्लाई के व्यावहारिक डिजाइन पर चर्चा और कार्यान्वयन किया गया है।
इस अध्याय को पढ़ने के लिए प्रथम श्रृंखला (विस्तृत BUCK स्विचिंग पावर सप्लाई सिद्धांत और गणना) को पढ़ना आवश्यक है तथा LM25149 के आधार पर BUCK पावर सप्लाई का विस्तृत डिजाइन करना है।
इस लेख श्रृंखला के तीन भाग हैं (निरंतर अद्यतन के साथ):
01-क्वालकॉम ऑटोमोटिव डोमेन कंट्रोलर प्रथम-चरण बिजली आपूर्ति डिज़ाइन: बिजली आपूर्ति डिज़ाइन और गणना
02-क्वालकॉम ऑटोमोटिव डोमेन कंट्रोलर प्रथम-स्तरीय पावर सप्लाई डिजाइन का विश्लेषण: स्कीमेटिक डिजाइन और PCB डिजाइन (यह अध्याय)
1- डिज़ाइन लक्ष्य और चुनौतियाँ
1.1 SA8295 ट्रांजिएंट करंट आवश्यकताएँ
तालिका 1: SA8295 पावर सप्लाई डिज़ाइन आवश्यकताएँ
टिप्पणी: नवीनतम SA8295 डिज़ाइन आवश्यकताएं 21A (1 NPU) और 24A (2 NPUs) हैं, और यह डिज़ाइन (30A अतिप्रवाह सुरक्षा) को कवर कर सकता है
1.2 डिज़ाइन उद्देश्य
इस डिज़ाइन में एक LM25149 डिज़ाइन डोमेन कंट्रोलर प्रथम श्रेणी बिजली आपूर्ति , का उपयोग किया गया है, जो 24A (100us) की ट्रांजिएंट धारा की आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है और 10A से अधिक स्थिर-अवस्था संचालन की कार्य आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है, ताकि आयतन, लागत और प्रदर्शन में व्यापक संतुलन प्राप्त किया जा सके।
टिप्पणी: ट्रांजिएंट धारा ऊष्मा उत्पादन की समस्या नहीं करती है (केवल क्वालकॉम SA8295 के लिए 100uS ट्रांजिएंट धारा), स्थिर-अवस्था में उच्च धारा तापमान वृद्धि में वृद्धि करती है, तापमान वृद्धि के प्रभाव को मापा जाना चाहिए (डिज़ाइन योजना वास्तविक पर्यावरणीय स्थितियों के अनुसार चुनी जाती है)।
2- विद्युत और PCB डिज़ाइन
2.1 मुख्य घटक चयन
डोमेन कंट्रोलर प्राथमिक स्विचन पावर आपूर्ति घटकों के चयन के लिए मापदंड: प्रदर्शन पहले, लागत को ध्यान में रखते हुए, PCB के क्षेत्र को कम करना; BUCK स्विचन पावर आपूर्ति की EMC समस्या और धारा लूप समस्या को ध्यान में रखते हुए, यह सामान्य BUCK स्विचन पावर आपूर्ति डिज़ाइन सिद्धांत और नियमों के अनुरूप है, और सामान्य डिज़ाइन विधि का संदर्भ लिया जा सकता है।
इलेक्ट्रॉनिक घटक चयन और गणना के बारे में विवरण के लिए, अध्याय 1 ( क्वालकॉम ऑटोमोटिव डोमेन कंट्रोलर प्रथम-चरण बिजली आपूर्ति डिज़ाइन: बिजली आपूर्ति डिज़ाइन और गणना )
इस डिज़ाइन के लिए विकल्प 2 (आठ 47uF C1210 पैकेज वाले सिरेमिक संधारित्रों का उपयोग करना)। डिज़ाइन इस चयन तक सीमित नहीं है, और उत्पाद डिज़ाइन को वास्तविक स्थिति के अनुसार समायोजित किया जा सकता है, और वास्तविक परीक्षण परिणामों के अनुसार डिज़ाइन अनुकूलन किया जा सकता है।
तालिका 2: BUCK पावर सप्लाई - डिज़ाइन योजना
2.1.1 BUCK पावर सप्लाई - मॉसफेट का चयन
तालिका 3: BUCK पावर सप्लाई - मॉसफेट का चयन
2.1.2 BUCK पावर सप्लाई - प्रेर का चयन
प्रेरक चयन मॉडल को अपनाता है: VSEB0660-1R0MV
तालिका 4: प्रेरक का चयन
2.1.3 BUCK पावर सप्लाई के लिए आउटपुट फ़िल्टर संधारित्र का चयन
तालिका 5: BUCK पावर सप्लाई के लिए आउटपुट फ़िल्टर संधारित्र का चयन
2.1.4 बक पावर सप्लाई - इनपुट फिल्टर संधारित्रों का चयन
तालिका 6: बक पावर सप्लाई - इनपुट फिल्टर संधारित्र का चयन
2.2 आरेख और पीसीबी डिज़ाइन उपकरण डिज़ाइन
2.2.1 आरेख और पीसीबी डिज़ाइन: जेएलसी टेक्नोलॉजी ईडीए ( https://lceda.cn/)
चित्र 1 कैरिट्रॉन ईडीए का परिचय
जेएलसी टेक्नोलॉजी ईडीए चीन में अग्रणी नि: शुल्क ईडीए विकास उपकरण है, जिसमें शक्तिशाली कार्य और उच्च विकास दक्षता है, इस डिज़ाइन में जेएलसी टेक्नोलॉजी ईडीए का उपयोग आरेख डिज़ाइन और पीसीबी के लिए किया गया है।
2.3 बक पावर सप्लाई-आरेख डिज़ाइन
2.3.1 बक पावर सप्लाई-आरेख डिज़ाइन
सिद्धांत डिज़ाइन LM25149-Q1 विनिर्देश और आधिकारिक डेवलपमेंट बोर्ड को देखता है, और डिज़ाइन बक स्विचन पावर सप्लाई के मूल सिद्धांत और हाई-पास डोमेन कंट्रोलर्स की प्राथमिक पावर सप्लाई की डिज़ाइन आवश्यकताओं को पूरा करता है।
चित्र 2 LM25149 का आरेख
2.3.2 बक पावर सप्लाई - आरेख डिज़ाइन में प्रमुख तकनीक
इनपुट ईएमसी सर्किट:
तकनीकी बिंदु:
① L1 का मुख्य कार्य स्विचन बिजली आपूर्ति से निर्गत आवृत्ति शोर के इनपुट पावर सप्लाई पर प्रभाव को कम करना है, स्विचन बिजली आपूर्ति की स्विचन आवृत्ति 2.2MHz है, L1 और C23 एक LC फ़िल्टर सर्किट बनाते हैं (C16 इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्र है, मुख्य रूप से 500KHz से नीचे की कम आवृत्तियों के लिए), और 2.2MHz को 60dB तक कम करता है।
② C21 स्विचन शोर (पावर ट्यूब के उठते किनारे और गिरते किनारे की कंपन ध्वनि) को कम करता है, मुख्य रूप से 10-100MHz के बीच EMC शोर को कम करता है।
③ यदि C21 और C23 का उपयोग प्रथम-श्रेणी बिजली आपूर्ति (संरक्षण से पहले) में किया जाता है, तो आपको लचीले टर्मिनल संधारित्र मॉडल का चयन करना चाहिए, और यदि संरक्षित है, तो आप ऑटोमोटिव ग्रेड संधारित्र का चयन कर सकते हैं। दो संधारित्रों के श्रृंखला लेआउट का उपयोग करके एक समान सुरक्षा तंत्र भी लागू किया जा सकता है।
पावर मॉस्फेट और LM25149 इनपुट संधारित्रों के लिए डीकपलिंग संधारित्रों की आवश्यकता भी वही होती है, इस डिज़ाइन का उपयोग प्रदर्शन सत्यापन के लिए नहीं किया जाता है, एकल सिरेमिक का उपयोग करते हुए, और उत्पाद-स्तर का डिज़ाइन ऑटोमोटिव-ग्रेड डिज़ाइन आवश्यकताओं का अनुसरण करता है।
टिप्पणी: LM25419 सक्रिय ईएमसी रद्दीकरण और दोहरी यादृच्छिक स्प्रेड स्पेक्ट्रम तकनीक, केवल ईएमसी आयाम को कुछ हद तक कम करती है, और ईएमसी को पूरी तरह से खत्म नहीं किया जा सकता है, स्विचिंग आवृत्ति 2.2 मेगाहर्ट्ज से संबंधित ऊर्जा के लिए, उच्च धारा (≥10A) पर अभी भी मानक से अधिक होने का जोखिम होता है, वास्तविक डीबगिंग के अनुसार होगा, यदि C23 को हटाने के बाद भी चालित विकिरण पारित हो सकता है, तो C23 के अनुप्रयोग को बचाया जा सकता है और लागत कम की जा सकती है।
BUCK पावर इनपुट कैपेसिटर:
① C2, C3 बक पावर इनपुट संधारित्र हैं, जो स्विचिंग पावर सप्लाई EMC के प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण हैं, 10uF संधारित्र लगभग 2MHz पर ≤5mΩ प्रतिबाधा का चयन करते हैं, CGA4J1X8L1A106K125AC और CGA6P1X7S1A476M250AC संदर्भ के लिए अच्छे तकनीकी संकेतक हैं, संधारित्र चयन X7R, 35V/50V सहन वोल्टेज, पैकेज C1210 और C1206 उपलब्ध हैं। इस डिज़ाइन के लिए C1210 पैकेज का चयन किया गया है, जो मॉडल सत्यापन प्रदर्शन की विस्तृत श्रृंखला की अनुमति देता है।
② C4 एक उच्च-आवृत्ति स्विचिंग EMC संधारित्र है, 50V X7R, C0402 पैकेज का चयन करें।
C2, C3, C4, लेआउट के लिए ध्यान में धारा लूप को रखना आवश्यक है (लेआउट के विवरण के लिए संदर्भ लें), बुनियादी बक पावर इनपुट संधारित्र आवश्यकताओं और डिज़ाइन सिद्धांत को पूरा करता है, आप इनपुट संधारित्र की समझ को गहरा करने के लिए बक स्विचिंग पावर सप्लाई सिद्धांत सीख सकते हैं।
③ TP7, TP9, TP13 का उपयोग स्विच के TG, BG और SW सिग्नल का परीक्षण करने के लिए किया जाता है, और मोस्फेट के डेड ज़ोन समय, रिंगिंग प्रदर्शन और उठते तथा गिरते किनारे के प्रदर्शन की उचितता का परीक्षण करने के लिए किया जाता है, जो स्विचन पावर सप्लाई का एक महत्वपूर्ण विद्युत प्रदर्शन परीक्षण संकेतक है।
GND का TP परीक्षण बिंदु ऑसिलोस्कोप परीक्षण GND लूप को कम करने और परीक्षण की शुद्धता में सुधार करने के लिए उपयोग किया जाता है, तथा LAYOUT को संबंधित परीक्षण सिग्नल के जितना संभव हो उतना निकट परीक्षण बिंदु रखने पर विचार करना चाहिए।
MOSFET गेट ड्राइव प्रतिरोधक:
① R1 और R2 मोस्फेट के गेट ड्राइव प्रतिरोधक हैं, जिनका पावर मोस्फेट के उठते और गिरते किनारों पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।
② R1 और R2 के चयन को नियंत्रित BUCK पावर कंट्रोलर के आउटपुट धारा (कंट्रोलर (PULL और PUSH प्रतिरोध), पावर MOSFET की गेट प्रतिबाधा और आवेश विशेषताओं (इनपुट धारिता CISS) और संपूर्ण प्रतिरोध के कुल प्रतिरोध पर संयुक्त कारणों द्वारा प्रभावित किया जाता है। प्रारंभिक डिज़ाइन में कुल प्रतिरोध ≤ 10 ओम चुना जाता है, जो आवेश विशेषताओं पर भी निर्भर करता है, तथा उचित प्रतिरोध मान के चयन के लिए इसे सुसंगत करने की आवश्यकता होती है।
③ R1 और R2 स्विचिंग शोर EMC को सबसे अधिक प्रभावित करने वाले महत्वपूर्ण पैरामीटर भी हैं, और स्विचिंग नुकसान को प्रभावित करने वाले मुख्य परिपथ कारक भी हैं।
टिप्पणी: स्विच विशेषताओं और डेड टाइम के परीक्षण के लिए 6 परीक्षण बिंदुओं का उपयोग किया जाता है।
आउटपुट पावर लूप:
① प्रेरक का चयन: प्रेरक के चयन में मुख्य रूप से दो कारकों पर विचार किया जाता है:
- अस्थायी कार्य धारा: अस्थायी रूप से 24A आउटपुट करने में सक्षम (समय: 100 माइक्रोसेकंड);
- स्थिर-अवस्था कार्य धारा: 10A, जो 10A धारा पर स्थिर रूप से काम कर सकती है (85℃ पर्यावरणीय तापमान स्थिति को शामिल करते हुए);
- संक्रमणकालीन संचालन धारा की अवधि ≤ 100 माइक्रोसेकंड है, और यह स्टार्ट-अप चरण के दौरान होती है, तथा केवल तब ही आवश्यकताओं को पूरा किया जा सकता है जब प्रेरकत्व असंतृप्त हो (धारा के प्रेरकत्व मान को पूरा करना)।
② सैम्पलिंग प्रतिरोधक का चयन: R1206 पैकेज में सैम्पलिंग प्रतिरोधक का चयन किया गया है, और ऊष्मा अपव्यय शक्ति ≥ 0.5W है;
③ संधारित्रों का चयन: संदर्भ: अध्याय के पहले भाग में आउटपुट फ़िल्टर संधारित्र अध्याय;
फ़ीडबैक सर्किट:
LM25149 में निश्चित आउटपुट कॉन्फ़िगरेशन और फीडबैक आउटपुट कॉन्फ़िगरेशन है, और विस्तृत विवरण विनिर्देश पुस्तिका में दिया गया है;
① VDDA से जुड़ा R14l, 3.3V आउटपुट
② R14=24.9K, 5.0V आउटपुट
③ R14=49.9K, 12.0V आउटपुट
आउटपुट वोल्टेज को ब्लैंक स्टिकर पर R14, R9 और R10 के साथ कॉन्फ़िगर किया गया है;
R19 और आरक्षित TP3, TP4: परीक्षण, चरण मार्जिन, पारगमन आवृत्ति आदि के लिए;
टिप्पणी: TP3 और TP4 का उपयोग चरण मार्जिन, पारगमन आवृत्ति आदि के परीक्षण के लिए किया जाता है।
फ़ंक्शन सेटिंग्स:
① EN: सक्षम संकेत, बिजली चालू करने पर ≥ 1.0V, सटीक अंडरवोल्टेज द्वारा सुरक्षित किया जा सकता है;
② Sync-PG: सिंक्रोनस आउटपुट या पावर गुड, इस डिज़ाइन में पावर गुड के लिए है;
③ PFM/SYNC
-डिफ़ॉल्ट (NC) जंपर: डायोड एनालॉग, कम धारा आउटपुट, उच्च दक्षता पर काम कर सकता है;
-GND पर शॉर्ट सर्किट जंपर, बलपूर्वक CCM मोड;
④ चिप कार्य मोड सेटिंग: कुल 5 कार्य मोड (विनिर्देश पुस्तिका देखें).
2.4 BUCK पावर सप्लाई-PCB डिज़ाइन
2.4.1 बक पॉवर सप्लाई-पीसीबी डिज़ाइन
① -शीर्ष
② -GND
③ -सिग्नल
④ -तल
2.4.2 बक पावर सप्लाई - पीसीबी डिज़ाइन के लिए प्रमुख तकनीक
इनपुट और आउटपुट संधारित्र लूप:
① बक पावर सप्लाई के इनपुट और आउटपुट संधारित्र न्यूनतम लूप बनाए रखते हैं, जिसका ईएमसी पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है;
② C4 मुख्य रूप से स्विच के उठते और गिरते किनारों की रिंगिंग शोर को अवशोषित करने के लिए उपयोग किया जाता है।
MOSFETs और इंडक्टर लूप:
① दो-में-एक MOSFETs के उपयोग से लेआउट क्षेत्र और लागत कम होती है, और इसका नुकसान यह है कि लेआउट SW न्यूनतम लूप बनाए रखने में असमर्थ होता है;
② 2-इन-1 MOSFET का SW बिंदु पीसीबी ट्रेसिंग की एक ही परत को वास्तविक नहीं कर सकता है, और निरंतर शक्ति धारा प्राप्त करने के लिए परत बिछाने की सतह को बदलने की आवश्यकता होती है।
धारा का सैंपलिंग:
① नमूनाकरण धारा को डिफरेंशियल ट्रेस होने की आवश्यकता है, और एक संदर्भ GND प्लेन होने की आवश्यकता है;
② इम्पीडेंस और बराबर लंबाई को नियंत्रित करने की आवश्यकता नहीं है, और ट्रेस लेआउट की न्यूनतम दूरी बनाए रखते हैं।
FB पुनर्योजन:
प्रतिरोधक और अन्य उपकरण नियंत्रण चिप पिन के निकट होते हैं।
ऊष्मा निष्कासन और GND:
ताप उपकरण: मोसफेट, प्रेरक और नमूनाकरण प्रतिरोधक समतल क्षेत्र में ताप चालन को उचित ढंग से बढ़ा सकते हैं, और GND वाया को बढ़ाने से पूरे बोर्ड की ऊष्मा अपव्यय स्थिति में सुधार करने में मदद मिल सकती है।
3- डोमेन-नियंत्रित प्रथम श्रेणी BUCK पावर सप्लाई डिज़ाइन - सारांश
3.1 3डी ड्राइंग
3डी चित्र-1
3डी चित्र-2
3.2 डिज़ाइन सारांश
① स्विचन पावर सप्लाई डिज़ाइन में 4-परत डिज़ाइन अपनाया गया है, पीसीबी मोटाई 1.6 मिमी, आकार 30X65 मिमी;
② आउटपुट धारा क्वालकॉम SA8295 की 24A की अधिकतम अस्थायी धारा को पूरा कर सकती है, और 10A से अधिक स्थिर-अवस्था आउटपुट क्षमता का समर्थन करती है।
4- परिचय Codaca इलेक्ट्रानिक्स
कोडाका इंडक्टर्स के स्वतंत्र अनुसंधान एवं विकास, डिज़ाइन और निर्माण पर केंद्रित है, और VSEB0660-1R0M क्वालकॉम प्लेटफॉर्म्स के विकास और अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त है। इसमें उच्च लागत प्रदर्शन, मजबूत एंटी-संतृप्ति धारा क्षमता और कम ऊष्मा उत्पादन जैसे तकनीकी लाभ हैं, और इसका शक्ति-से-आयतन अनुपात उद्योग में अग्रणी है। कोडाका तकनीकी अनुसंधान एवं विकास, तकनीकी नवाचार पर केंद्रित है, इंडक्टर उद्योग के लिए उत्कृष्ट उत्पाद विकसित करता है, और इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के विकास और अनुप्रयोग में सहायता करता है।
5- परीक्षण और सत्यापन
बाद के परीक्षण और सत्यापन के लिए, कृपया देखें: 03- क्वालकॉम ऑटोमोटिव डोमेन कंट्रोलर प्रथम-चरण बिजली आपूर्ति डिज़ाइन का विश्लेषण: प्रदर्शन परीक्षण माप विश्लेषण .
[संदर्भ]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
EN