A magas passzív tartományvezérlő szint 1-es tápegység tervezésének megértése: Tápegység tervezése és számítása

Az újenergia-járműipar gyors fejlődése az ipari láncolatok robbanásszerű növekedését hajtotta; az autóipari intelligencia, valamint az autonóm vezetés az újenergia-járművek versenyképességének egyik legfontosabb mag középpontjába került. Ez a rendkívül integrált központi agyaknak és tartományvezérlőknek új kihívásokat és lehetőségeket is jelent, különösen a DC-DC kapcsolóüzemű tápegységek megbízhatósága, nagy teljesítménysűrűsége, a kapcsolóüzemű tápegységek EMC-je, magas hatásfoka és költséghatékonysága terén.

A Qualcomm az intelligens műszerfal tartományvezérlő szállítójaként, az SA8155 és SA8295 modellek fontos helyet foglalnak el, a központi tartományvezérlő SOC szint 1-es tápellátása (a akkumulátor bemenetről szint 1-re konvertált tápellátás) tranziens áram, stabil működési áram, várakozási üzemi hatékonyság, költség, a kapcsolóüzemű tápegység EMC tervezése közötti ellentétek jelentős kihívást jelentenek a BUCK tápellátási tervezés számára. Hogyan oldják meg és egyensúlyozzák ezeket az ellentéteket a kapcsolóüzemű tápegység architektúra, tápegység chip, induktor, Mosfet, kondenzátor közös technikai irányvonalát.

Ez a cikk az autóipari központi tartományvezérlés szint 1-es tápellátási tervezéséhez kapcsolódó nagy dinamikus kapcsoló áramforrás (100–300%) tervezésével foglalkozik, bemutatva a DC-DC kapcsoló tápegység tervezését, beleértve a tápellátási koncepciót, az induktor, kondenzátor kiválasztását és egyéb tervezési módszereket; figyelembe véve a méretet, költségeket, hatékonyságot és teljesítménybeli kihívásokat, valamint a gyakorlati megvalósítást.

Ez a cikk feldolgozza és megvalósítja a Qualcomm SA8295 tartományvezérlő példáján keresztül egy egylépcsős BUCK kapcsolóüzemű tápegység tényleges tervezését.

Ez a cikksorozat három sorozatot tartalmaz (a jövőben folyamatosan frissítve lesz):

01- A Qualcomm automotív tartományvezérlő szint 1-es tápellátási tervezésének megfejtése: Tápellátás tervezése és számítása (ez a fejezet)

02- A Qualcomm Automotív Tartományvezérlő 1. szintű Tápterv tervezésének megértése: Kapcsolási rajz és PCB tervezés

03- A Qualcomm Automotív Tartományvezérlő 1. szintű Tápterv tervezési teljesítményteszt mérésének elemzése

1- Tervezési célok és kihívások

1.1 SA8295 Átmeneti Áramkövetelmények

1. táblázat: SA8295 Táptervezési Követelmények

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 (műszerfal tartományvezérlő) a teljes autó áramköltségvetése 7–10 mA (13,5 V), egyedül a 4G/5G modul fogyasztása 4–5 mA, Qualcomm SA8295 árama 13,5 V-on belül 3 mA (40 mW).

1.3 Három kihívás

1.3.1 Qualcomm Tartományvezérlő SA8295 Kapcsolóüzemű Tápegység Kimeneti Áram Kihívás 1:

Nagy tranziens áram, 3,3 V, 18 A (0,1 ms), 0,1 ms a DC-DC kapcsolóüzemű tápegységnél már a hosszú ideig tartó állandósult állapotú kimenethez tartozik, szükség van Buck tápegységre a 18 A-es stabil kimeneti tervezéshez.

1.3.2 Qualcomm domain-controlled SA8295 kapcsolóüzemű tápegység nagy áramú dinamikus kihívásai 2:

SA8295 domain control állandósult üzemárama 5-9 A, ami miatt a kapcsolóüzemű tápegység induktivitása (az induktivitás és az áram mérete egymással fordítottan arányos) a választásnál több mint 300%-os eltérést eredményez az állandósult üzemáramhoz képest a méret, költség, frekvencia szempontjából, ami jelentős ellentmondásokat okoz.

1.3.3 Qualcomm domain control SA8295 kapcsolóüzemű tápegység mikrohatalom felhasználási kihívásai 3:

Üresjári fogyasztás, szükséges a 13,5 V 3 mA fogyasztási hatásfok 70%, ez pedig a vezérlőarchitektúra, valamint az induktivitás kiválasztási tervezés szempontjából is óriási kihívást jelent.

Ez a tervezés az egyik legösszetettebb SA8295 egyfokozatú Buck tápegység kialakításán alapul, hogy feltárja a kapcsolóüzemű tápegységek és DC-DC technológiai megoldások magját képező nehézségeket.

2. - Programválasztás összehasonlítása

2.1 Qualcomm SA8295 tartományvezérlő tápellátási műszaki követelményei

Az 2. táblázat szerint:

2. táblázat: Qualcomm SA8295 tápegység-tervezési specifikációs követelmények

2.2 Programterv és műszaki információk

Az MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 és LM25149-Q1 modellek megfelelnek a tervezési követelményeknek. Ebben a tervben az LM25149-Q1-et választották e központi agy-tartományvezérlő elsőfokú tápellátási tervének.

2.2.1 LM25149-Q1 hivatalos webhelye:

https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1

3. táblázat: LM25149-Q1 Tervezési referenciák

2.2.2 LM25149-Q1 Datasheet:

LM25149-Q1 42-V Automotív, Szinkron, Buck, DC/DC Vezérlő alulcsillapított IQ-val és integrált aktív EMI szűrővel adatlap (Rev. B)

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 tápegység tervezési előírások

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: Szinkron BUCK tápegység tervezési számítási egyenlet

3.4 Minimális induktivitás számítása

(A képletekért lásd az 5. táblázatot.)

6. táblázat: A minimális induktivitás számított grafikonja (∆I=0,3)

7. táblázat: Minimális induktivitás számítása

3.4.1 Az induktivitásszámítási adatok összefoglalása:

① Ha a tervezés 6-20A-es tartományt (AI=0,3 számítás) fed le, 16V bemenet, 6A kimenet, induktivitás ≥ 0,69μH.

② A kapcsoló tápegység induktivitás elméleti számítása Lmin: ≥ 0,69μH (elméleti érték);

③ A tényleges tervezési választást és az induktivitás hibáját ±20%-ban figyelembe véve, a legjobb tervezésnek a 0,82μH és az 1,0μH tekinthető (az induktivitás növekedésével az induktor mérete, költsége nő, míg az SRF csökken).

3.5 Induktív áram számítások

(Képlet: lásd az 5. táblázat 1. és 2. táblázatát)

8. táblázat: 0,82μH-os tekercs áramszámítása

9. táblázat: 1,0μH-os tekercs áramszámítása

3.5.1 Elméletileg kiszámított induktor telítési árama ≥ 20,76A, kerekítve 21A:

10. táblázat: Reaktancia-jelzők

4- Kapcsolóüzemű tápegység induktivitás-kiválasztása

11. táblázat: Induktivitás kiválasztása

4.1 LM25149 kapcsolóüzemű tápegység induktivitás-áram-mintavételi ellenállás számítása

12. táblázat: Induktivitás-áram-mintavételi ellenállás elméleti számítása

13. táblázat: Induktív mintavételi ellenállás kiválasztása

4.2 Szinkron BUCK kapcsolóüzemű tápegység kimeneti kapacitásának számítása

(A kimeneti kapacitás számítása: lásd a képletet az 5. táblázatban)

14. táblázat: Szinkron BUCK kapcsolóüzemű tápegység kimeneti kapacitásának számítása

A szinkron BUCK kapcsoló tápegység tervezése során az áramkör bemeneti és kimeneti szűrőkondenzátorainak teljesítménye, mérete és költsége között ellentmondás áll fenn. A kondenzátor-jellemzők mérése meghatározott körülmények között történik, a mérési folyamatban használt műszerek különbözősége miatt azonos specifikáció esetén is 10–50% eltérés lehet. A végleges tervezési teljesítményt tudományos gyakorlati tesztelés és mérés során, a beállítási folyamatban kell ellenőrizni (nincs optimális megoldás a tervezésre, csupán a forgatókönyvhöz illő választás lehetséges).

A kapcsoló kondenzátoroknak teljesíteniük kell: kapacitás ≥ 320uF (Túllendülési követelmény), kerámia kondenzátor kapacitása nagyobb mint 2,435uF (nem elsődleges feltétel, de célszerű teljesíteni)

15. táblázat: Ajánlott modellválasztás a kapcsoló tápegység kimeneti szűrőkondenzátoraihoz

16. táblázat: Kapcsoló tápegység kimeneti szűrőkondenzátor tervezése

4.3 LM25149 Tápegység bemeneti kapacitás számítása

4.3.1 Bemeneti kapacitás számítások

17. táblázat: Kapcsoló üzemű tápegység bemeneti szűrőkapacitás számítások

18. táblázat: Kapcsoló üzemű tápegység kimeneti szűrő kiválasztása

4.4 LM25149 Mosfet kiválasztási számítások

4.4.1 Mosfet számítások

Az LM25149 adatlap túl sok számítást és kiválasztási számítást nem tartalmaz, a QG számításokat és a választást empirikus becslésekből kiindulva végzik visszafelé, az eredmények alapján 4,5-5,0 V Vgs, ≤ 22 nC értéket választunk, a számítási folyamatot az alábbi táblázathoz hasonlóan végezzük, a Miller-platóhoz 2-3 V értéket (3 V-hoz közeli is elfogadható), Rdson-ra ≤ 8 mΩ-t választunk.

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 számítások

Túl sok elemzés nélkül, hivatkozzon a műszaki leírásra.

5- Tervezési összefoglaló

5.1 LM25149BUCK tápegység tervezési választási összefoglaló

22. táblázat: Tervezés és kiválasztás

5.2 Programösszefoglaló

A szinkron kapcsoló tápegységek teljesítménye és hatásfoka több tényezőtől is befolyásolva lesz, a teljesítmény- és mutatójellemzők meghatározásánál figyelembe kell venni a tényleges tényezőket; e fejezet elméleti számításokhoz és az aktuális tervezéshez való elméleti iránymutatáshoz szolgál. A tervezett teljesítmény- és mutatójellemzők szorosan összefüggenek az alkatrészek teljesítményével, a használati feltételekkel, elrendezéssel stb., így ezeknél szigorú tesztelésre és ellenőrzésre van szükség.

A szinkron buck áramforrás tervezése a magas átbetöltési tartományvezérlő számára egy nehéz műszaki terület, amely a vezérlőtervezés technológiájának megfelelő kiegyensúlyozását igényli teljesítmény, méret, költség tekintetében. A Kodak Ka fókuszál az önálló fejlesztésre és tervezésre induktorok terén; a CSEB0660-1R0M ideális a magas átbetöltési platform fejlesztéséhez és alkalmazásához, rendelkezik magas költséghatékonysággal, erős teljesítménnyel szaturációs árammal szemben, kis hőtermeléssel és más műszaki előnyökkel, valamint iparvezető energia-méret aránnyal; a Kodak Ka fókuszál a technológiai fejlesztésre és innovációra, kiváló termékek kidolgozásával járul hozzá az induktoriparban és elektronikus termékek fejlesztésének és alkalmazásának terén.