EN
Gyorslinkek
Az új energiájú járművek iparának gyors fejlődése robbanásszerű növekedést hajtott végre számos iparági láncban. A járművek intelligenciája és az önálló vezetés az új energiájú járművek legfontosabb versenyképes irányait képviselik, új kihívásokat és lehetőségeket teremtve a magas szinten integrált központi agyak és domain kontrollerek számára, különösen a DC-DC kapcsolóüzemű tápegységek megbízhatóságát, nagy teljesítménysűrűségét, kapcsolóüzemű tápegység EMC-jét, magas hatásfokát és költséghatékonyságát illetően.
A Qualcomm az intelligens műszerfal-tartományvezérlők szállítójaként jelentős pozíciót foglal el az SA8155 és SA8295 modellekkel. Az átmeneti áram, a stabil üzemi áram, az alvó állapot hatékonysága, az költség, valamint a központi tartományvezérlő SOC elsődleges tápellátásának (akkumulátorból történő bemenet az elsődleges átalakításig) kapcsolóüzemű tápegység (SMPS) EMC tervezése közötti konfliktusok jelentős kihívást jelentenek a BUCK tápegység-tervezés számára. Ezeknek az ellentmondásoknak a feloldása és az egyensúly megteremtése a kapcsolóüzemű tápegység architektúrájának, a teljesítménychipeknek, induktoroknak, MOSFET-eknek és kondenzátoroknak közösen kell működniük.
Ez a cikk ötvözi az autóipari alkalmazásokhoz szükséges központi domainvezérlő elsődleges tápegységének tervezését nagy dinamikájú kapcsolóüzemű tápegység-árammal (100–300%), vizsgálva a DC-DC kapcsolóüzemű tápegységek tervezését, beleértve a tápellátási megoldásokat, valamint az induktorok és kondenzátorok kiválasztásának módszereit. Gyakorlati tervezést tárgyal és valósít meg, miközben figyelembe veszi a méret, költség, hatékonyság és teljesítmény kihívásait.
Ez a cikk Qualcomm SA8295 típusú domainvezérlőjét veszi példaként a fő BUCK kapcsolóüzemű tápegység gyakorlati tervezésének bemutatására és megvalósítására.
Ez a cikksorozat három részből áll (folyamatosan frissül):
01- Qualcomm Autóipari Domainvezérlő Első Fokozatú Tápellátásának Megfejtése: Tápellátás Tervezése és Számítása (ez a fejezet)
1- Tervezési célok és kihívások
1.1 Átmeneti áramigények az SA8295 esetében
1. táblázat: SA8295 tápellátási tervezési követelményei
1.2 SA8295 Alvó állapotú áramigénye
Qualcomm SOC 3,3 V-os tápegység alvófogyasztása 4–7,5 mA (a memória önfrissítési fogyasztását is beleértve), támogatja az alvó állapotból való felébredést.
Központi agy (kabin tartományvezérlő) teljes járműáram-fogyasztása 7-10 mA (13,5 V), amiből a 4G/5G modul önmagában 4-5 mA-t fogyaszt, a Qualcomm SA8295 jelenlegi értéke 13,5 V-on 3 mA (40 mW) vagy kevesebb.
1.3 Három kihívás
1.3.1 Kihívás 1: Qualcomm tartományvezérlő SA8295 kapcsolóüzemű tápegység áramkimenete
Nagy tranziens áram, 3,3 V, 18 amper (0,1 ms), a 0,1 ms már hosszú időtartam a DC-DC kapcsolóüzemű tápegyszer számára állandósult állapotú kimenet esetén, ami azt követeli meg, hogy a buck-áramforrást stabil 18 amperes kimenetre tervezzék.
1.3.2 Kihívás 2: Magas minőségű tartományvezérlő SA8295 kapcsolóüzemű tápegység dinamikája
Az SA8295 tartományvezérlő állandósult üzemi árama 5-9 amper, ami több mint 300%-os stabillá vált munkaáram-különbséget okoz a kapcsolóüzemű tápegység tekercsében (a tekercs értéke fordítottan arányos a névleges árammal) a térfogat, költség és frekvencia vonatkozásában, ami jelentős konfliktusokhoz vezet.
1.3.3 Kihívás 3: Magas minőségű tartományvezérlő SA8295 kapcsolóüzemű tápegység mikrohőhatás-hatékonysága
A készenléti fogyasztás, 70%-os hatásfokkal 13,5 V-on és 3 mA-nél, jelentős kihívást jelent a tápegység-vezérlő architektúra és az induktor kiválasztásának tervezése számára.
Ez a tervezés az SA8295 elsődleges buck áramellátási kialakításának maximális kihívására épül, feltárva a kapcsolóüzemű tápegységek és a DC-DC technológiai megoldások központi nehézségeit.
2- Megoldásválasztási összehasonlítás
2.1 Qualcomm SA8295 tartományvezérlő tápellátási műszaki követelményei
Az 2. táblázat szerint:
2. táblázat: Qualcomm SA8295 teljesítménytervezési műszaki specifikációinak követelményei
2.2 Tervezési javaslat és műszaki dokumentumok
Az MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 és mások mindegyike képes kielégíteni a tervezési követelményeket. Ez a tervezés az LM25149-Q1-et választotta a projekt központi agydomén-vezérlőjének elsődleges tápellátási megoldásaként.
2.2.1 Hivatalos LM25149-Q1 cím:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
3. táblázat: LM25149-Q1 tervezési referenciaanyagok
2.2.2 LM25149-Q1 műszaki adatlap:
2.2.3 LM25149-Q1 fejlesztői kártya:
LM25149-Q1 EVM Felhasználói útmutató (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 Aktív szűrő stabilitása és teljesítménye:
Hogyan biztosítsa az aktív EMI-szűrők stabilitását és teljesítményét (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 Tervezőeszközök :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC Számítási eszköz | TI.com
3- Szinkron BUCK tápegység tervezése és számítása
3.1 Fő műszaki adatok és tervezési paraméterek LM25149
4. táblázat: Qualcomm SA8295 teljesítménytervezési műszaki specifikációinak követelményei
Hatékonyság
Aktív EMI-szűrők
EMI-tesztelés
Referenciatervezési séma
Referenciatervezési megoldás értékelő kártya
3.2 LM25149 Szinkron BUCK induktivitás kiválasztási számítás
3.2.1 Szinkron BUCK kapcsoló tápegység számítási képlet:
5. táblázat: Szinkronos BUCK tápegység tervezési számítási képletek
3.3 Minimális induktivitás kiszámítása
(Számítási képlet, lásd a 5. táblázatot.)
6. táblázat: Minimális induktivitás kiszámításának görbék táblázata (∆I=0,3)
7. táblázat: Minimális induktivitás számítása
3.3.1 Az induktivitás-számítás adatainak összegzése:
① Ha a tervezés lefedi a 6–20 A tartományt (AI=0,3 számítás), 16 V bemeneti és 6 A kimeneti áram esetén az induktivitásnak ≥0,69 μH-nek kell lennie.
② A kapcsoló tápegység induktivitás elméleti számítása Lmin: ≥ 0,69μH (elméleti érték);
③ Figyelembe véve a tényleges tervezési kiválasztást és az induktor ±20%-os tűréshatárát, az optimális tervezéshez válassza a 0,82 μH és 1,0 μH értékeket (a nagyobb induktivitás növeli az induktor méretét, költségét, és csökkenti az SRF-et).
3.4 Induktor-áram számítások
(Képlet: lásd az 5. táblázat 1. és 2. pontját)
8. táblázat: 0,82μH-os tekercs áramszámítása
9. táblázat: 1,0μH-os tekercs áramszámítása
3.4.1 Az elméleti számítás szerint az induktivitás telítődési árama ≥ 20,76 A, kerekítve 21 A:
10. táblázat: Induktor specifikációk
4 - Induktor kiválasztása kapcsolóüzemű tápegységhez
11. táblázat: Induktivitás kiválasztása
4.1 Áramérzékelő ellenállás kiszámítása LM25149-hez kapcsolóüzemű tápegységben
12. táblázat: Áramérzékelő ellenállás elméleti kiszámítása
13. táblázat: Áramérzékelő ellenállás kiválasztása
4.2 Kimeneti kondenzátor kiszámítása szinkron BUCK kapcsolóüzemű tápegységhez
(Kimeneti kondenzátor kiszámítása: Lásd az 5. táblázatban szereplő egyenletet)
14. táblázat: Kimeneti kondenzátor kiszámítása szinkron BUCK kapcsolóüzemű tápegységhez
A szinkronos buck kapcsolóüzemű tápegységek tervezésénél kompromisszum van a bemeneti és kimeneti szűrőkondenzátorok teljesítménye, mérete és költsége között. A kondenzátor-specifikációk tesztelését meghatározott körülmények között végzik, és a mérőeszközök eltérései a tesztelés során azonos specifikációk esetén is 10–50% közötti eltérést eredményezhetnek. A végső tervezési teljesítmény tudományos igazolást és tesztelést igényel a hibakeresési folyamat során (nincs egyetlen optimális megoldás; csupán az adott alkalmazáshoz leginkább megfelelő séma kiválasztása lehetséges).
A kapcsolókondenzátoroknak teljesíteniük kell: Kapacitás ≥ 320 μF (túllendülési követelmény), kerámia kondenzátor kapacitása nagyobb, mint 2,435 μF (nem alapvető feltétel, a követelmény teljesítése elegendő).
15. táblázat: Ajánlott kimeneti szűrőkondenzátor-modellek kiválasztása kapcsolóüzemű tápegységekhez
16. táblázat: Kimenetiszűrő-kondenzátorok tervezése kapcsolóüzemű tápegységekhez
4.3 Az LM25149-es tápegység bemeneti kondenzátorának kiszámítása
4.3.1 Bemeneti kapacitás számítások
17. táblázat: Bemeneti szűrőkondenzátor kiszámítása kapcsolóüzemű tápegységekhez
18. táblázat: Kimeneti szűrők kiválasztása kapcsolóüzemű tápegységekhez
4.4 LM25149 Mosfet kiválasztási számítások
4.4.1 MOSFET számítás
Az LM25149 adatlapja nem tartalmazza a sokféle számítást és kiválasztási módszert. A QG számításai és kiválasztása tapasztalati becsléseken és visszafelé történő következtetéseken alapulnak. A számítási eredmények 4,5-5,0 V-os Vgs és ≤22 nC értéket jeleznek. A számítási folyamat az alábbi táblázatban látható. A Miller-platform 2-3 V-ra van választva (a 3 V-hoz közeli érték is elfogadható), az Rdson pedig ≤8 mΩ-ra.
19. táblázat: Mosfet kiválasztás és számítások
4.5 Mosfet kiválasztási ajánlások
20. táblázat: Mosfet kiválasztási modellek
4.6 LM25149 FB és kompenzációs számítások
21. táblázat: FB és kompenzációs számítások
4.7 LM25149 EMC tervezési számítás
Túl részletes elemzés nélkül tekintsen az előírásokra.
5- Tervezési összefoglaló
5.1 Az LM25149 BUCK áramforrás-tervezés és kiválasztás összegzése
22. táblázat: Tervezés és kiválasztás
5.2 A megoldás összegzése
A szinkron kapcsoló tápegységek teljesítményét és hatékonyságát számos tényező befolyásolja. A teljesítményre és műszaki adatokra vonatkozóan figyelembe kell venni a gyakorlati tényezőket. Ez a fejezet az elméleti számításokhoz nyújt elméleti útmutatást a gyakorlati tervezéshez. A tervezés teljesítménye és műszaki adatai szorosan összefüggenek az alkatrészek teljesítményével, használati feltételekkel, elrendezéssel stb., és szigorú tesztelést és ellenőrzést igényelnek.
A szinkron buck tápegység tervezése Qualcomm domain vezérlőkhöz egy kihívást jelentő terület a vezérlőtervezésben, mivel megfelelő egyensúlyt kell teremteni a teljesítmény, a méret és a költség között. A CODACA független kutatás-fejlesztésre és a teljesítmény-tekercsek, valamint az adatvonalak közös módusú fojtóinak tervezésére helyezi a hangsúlyt. A CSEB0660-1R0M típus alkalmas a Qualcomm platformok fejlesztéséhez és alkalmazásaihoz, kiemelkedő költséghatékonyságot, erős telítési áram-ellenállást, alacsony hőtermelést és iparvezető teljesítmény-térfogatarányt kínál. A CODACA elkötelezett a technológiai kutatás-fejlesztés és az innováció mellett, kiváló termékek fejlesztésével járul hozzá az induktoripar fejlődéséhez, valamint az elektronikai termékek fejlesztéséhez és alkalmazásához.