Qualcomm automotív tartományvezérlő szint 1-es tápellátási tervezésének megértése: kapcsolási rajzterv és PCB-terv

Az új energiajármű ipar gyors fejlődése az ipari láncok mindegyikének robbanásszerű növekedését hajtotta, a gépjárművek intelligenciája, az autonóm vezetés pedig az új energiajárművek versenyképességének legfontosabb mag középpontjába került. Ennek következtében a magas integráltságú központi agyaknak és tartományvezérlőknek új kihívások és lehetőségek nyíltak meg, különösen a DC-DC kapcsoló tápegységek megbízhatósága, nagy teljesítménysűrűsége, a kapcsoló tápegységek EMC-je, magas hatásfoka, valamint költséghatékonysága terén.

A Qualcomm, mint intelligens műszerfal tartományvezérlő szállítója, az SA8155 és SA8295 modellekkel fontos helyet foglal el, a központi tartományvezérlő SOC szint 1-es tápegysége (a akkumulátor bemeneti szintjéből alakított szint 1-es tápfeszültség) tranziens áram, stabil üzemeltetési áram, várakozó állapotú hatásfok, költség, valamint a kapcsolóüzemű tápegység EMC tervezésének ellentmondása egyre nagyobb kihívást jelent a BUCK tápellátási tervezés számára. Hogyan oldják meg és egyensúlyozzák ezeket az ellentmondásokat a kapcsolóüzemű tápegység architektúra, tápegység chip-ek, induktorok, Mosfet-ek, kondenzátorok gyártói közösen technológiai irányba.

Ebben a cikkben a nagy dinamikus kapcsolási áramú tápegység (100-300%) automotív központi domain vezérlés szint 1-es tápellátási tervezésére kerül sor, megvizsgálva a DC-DC kapcsoló tápegység tervezését, beleértve a tápellátási séma, induktor, kondenzátor kiválasztás és egyéb tervezési módszerek kidolgozását, figyelembe véve a méretet, költséget, hatékonyságot, valamint a teljesítmény kihívásait és a valós alkalmazható tervezést.

A Qualcomm SA8295 domain controller példájaként ez a fejezet bemutatja és megvalósítja egy primer BUCK kapcsoló tápegység gyakorlati tervét.

Ehhez a fejezethez alaposan érteni kell a sorozat első részét (amely részletesen ismerteti a BUCK kapcsoló tápegység elméletét és számításait), majd az LM25149 alapján részletes BUCK tápegységtervet dolgozunk ki.

Ez a cikksorozat három részből áll (a folytatásban frissítésekkel bővül):

01-Deciphering Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculation (Megjelent)

02-Qualcomm Automotív Tartományvezérlő Szint 1-es Táptervezésének Megfejtése: Kapcsolási Rajz és NYÁK Tervezés (ez a fejezet )

03-Qualcomm Automotív Tartományvezérlő Szint 1-es Táptervezésének Megfejtése: Teljesítményteszt Mérési Elemzés (hamarosan megjelenik)

1- Tervezési Célok és Kihívások

1.1 SA8295 Átmeneti Áramkövetelmények

1. táblázat: SA8295 Táptervezési Követelmények

Megjegyzés: A legújabb SA8295 tervezés 21A (1 NPU) és 24A (2 NPU) áramfelvételt ír elő, amit ez a tervezés lefed (30A túláramvédelemmel)

1.2 Tervezési célok

Ez a tervezés használja a LM25149-et a tartományvezérlő fő tápegységének kialakításához , képes támogatni egy 24A (100µs) átmeneti áramot, és kielégíti a 10A feletti tartós üzemeltetési követelményt, elérve egyensúlyt a méret, a költség és a teljesítmény között.

Megjegyzés: Az átmeneti áram nem jelent hőmérsékleti problémát (a Qualcomm SA8295 esetében az átmeneti áram csak 100µs hosszúságú). Ugyanakkor a nagy tartós áram növekedett hőmérséklet-emelkedést okozhat, ezért értékelni kell a hőteljesítmény hatását (a tervezési megoldást az aktuális környezeti feltételek alapján kell kiválasztani).

2- Kapcsolási rajz és PCB tervezés

2.1 Alapvető komponensválasztás

Tartományvezérlő szintű kapcsolóüzemű tápegység komponensválasztási szempontjai: teljesítmény prioritása, figyelembe véve a költségeket, miközben csökkenti a nyomtatott áramkör területét; figyelembe kell venni a BUCK kapcsolóüzemű tápegység EMC problémáit és áramkörök kérdéseit, összhangban állva az általános BUCK kapcsolóüzemű tápegység tervezési elméletével és szabályaival, utalni lehet az általános tervezési módszertanra.

Lásd a(z) 1. fejezetet az elektronikus alkatrészek kiválasztásáról és számításokról (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)

Ez a tervezés a 2. opciót választja (nyolc 47uF kerámia kondenzátor használata C1210 csomagolásban). A terv nem korlátozza ezt a kiválasztást, a terméktervezés a modell tényleges helyzetének megfelelően módosítható, és a tényleges tesztelési eredmények alapján optimalizálható.

2. táblázat: BUCK tápegység - rendszerterv

2.1.1 BUCK tápegység - MOSFET kiválasztás

3. táblázat: BUCK tápegység - MOSFET kiválasztás

2.1.2 BUCK tápegység - induktor kiválasztása

Induktor kiválasztása a következő modellszámmal: VSEB0660-1R0MV

4. táblázat: Induktor kiválasztása

2.1.3 BUCK tápegység - kimeneti szűrőkondenzátor kiválasztása

5. táblázat: BUCK tápegység - kimeneti szűrőkondenzátor kiválasztás

2.1.4 BUCK tápegység - bemeneti szűrőkondenzátor kiválasztás

6. táblázat: BUCK tápegység - bemeneti szűrőkondenzátor kiválasztás

2.2 Kapcsolási rajz és nyomtatott áramkör (PCB) tervezési eszközök

2.2.1 Kapcsolási rajz és nyomtatott áramkör (PCB) tervezése: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)

1. ábra: A Caritron EDA bemutatása

A Jialitron EDA egy vezető, ingyenes EDA fejlesztőeszköz, amely hatékony és erős fejlesztést biztosít; ebben a tervben a Jialitron EDA-t használták a kapcsolási rajz és a nyomtatott áramkör (PCB) tervezéséhez.

2.3 BUCK tápegység - kapcsolási rajz tervezése

2.3.1 BUCK tápegység - kapcsolási rajz tervezése

A kapcsolási rajz tervezése az LM25149-Q1 adatlapra és a hivatalos fejlesztőkártyára hivatkozik, a terv megfelel a BUCK kapcsoló tápegység alapvető elméletének és a magas átbocsátó tartományvezérlő elsőfokú tápellátási követelményeinek.

2. ábra: LM25149 kapcsolási rajza

2.3.2 BUCK tápegység - Kapcsolási tervekhez Fókuszált Technológia

Bemeneti EMC áramkör:

Technikai pontok:

① Az L1 fő funkciója az, hogy csökkentse a kapcsolóüzemű tápegység vezetett sugárzási zajának hatását a bemeneti tápfeszültségre. A kapcsolóüzemű tápegység kapcsolási frekvenciája 2,2 MHz, az L1 és a C23 egy LC szűrő áramkört alkot (a C16 egy elektrolit kondenzátor, amely az 500 kHz alatti alacsony frekvenciájú zajt csökkenti), 2,2 MHz-en 60 dB-t csökkent.

② A C21 csökkenti a kapcsolási zajt (teljesítményfokozat be- és kikapcsolási él rezgése), elsősorban az EMC-zajt 10–100 MHz között.

③ A C21 és C23 esetén ha a tápegység védett (védelem előtt), akkor rugalmas kivezetésű kondenzátor típust kell választani, ha védett, akkor autóipari specifikációs kondenzátorokat lehet választani. Két kondenzátor sorba kötött merőleges elrendezésével is hasonló védelmi mechanizmus érhető el.

A teljesítmény MOSFET-ek és az LM25149 bemeneti kapacitásának csatolási kapacitása azonos követelményeknek felel meg, ezt a tervezést nem használják teljesítményméretezéshez, egyetlen kerámia kondenzátor alkalmazása esetén a termék szintű tervezésnek megfelelően kell követni az autóipari osztályú tervezési követelményeket.

Megjegyzés: LM25419 aktív EMC csökkentés és dupla véletlenszerű szélessávú technológia csak bizonyos mértékig képes csökkenteni az EMC amplitúdóját, de nem tudja megszüntetni az EMC-t, különösen akkor, ha a 2,2 MHz-es kapcsolási frekvencia összefügg az energiával, nagy áram (≥10 A) alkalmazása esetén fennáll a szabvány túllépésének kockázata, amelyet tényleges hibakeresés alapján kell eldönteni. Ha a C23 eltávolítása után a vezetett emisszió továbbra is elfogadható, akkor a C23 alkalmazása elhagyható, így csökkenthető a költség.

BUCK tápegység bemeneti kondenzátorai:

① C2, C3 a BUCK tápegység bemeneti kapacitásához, a kapcsoló tápegység EMC teljesítményének szempontjából kritikus, 10uF kapacitás választása 2 MHz közelében az impedancia ≤ 5 mΩ, a CGA4J1X8L1A106K125AC és a CGA6P1X7S1A476M250AC jó műszaki jellemzőkkel rendelkezik hivatkozásként, a kerámia kondenzátorok kiválasztásakor X7R dielektrikum, 35V/50V feszültségállóság, ház méret C1210 és C1206 is használható. Ez a tervezés C1210-es házat használ, amellyel több modell teljesítménye is ellenőrizhető.

② C4 magas frekvenciás kapcsolási EMC kondenzátorhoz, 50V X7R típusút kell választani, C0402-es ház is megfelelő.

C2, C3, C4, A nyomtatott áramkör elhelyezkedésénél figyelni kell a zárt áramkörre (lásd: Elhelyezés részletei), összhangban kell lennie a BUCK tápegység bemeneti kapacitásának alapvető követelményeivel és elméleti megfontolásaival, érdemes tanulmányozni a BUCK kapcsoló tápegység elméletét a bemeneti kapacitás jobb megértése érdekében.

③ A TP7, TP9, TP13 a TG, BG és SW jelek kapcsolási vizsgálatára szolgál, valamint az átfutási idő realitásának, a csengési jelenségnek és a MOSFET növekedési és lecsengési éljellemzőinek ellenőrzésére, amelyek fontos kapcsoló tápegység villamos teljesítményvizsgálati indikátorok.

A GND TP tesztpontra azért van szükség, hogy csökkentsük az oszcilloszkóp mérési hurkot, és javítsuk a mérés pontosságát, így a LAYOUT-nál a releváns tesztjelekre vonatkozó tesztpontokhoz minél közelebb kell elhelyezni.

MOSFET-vezérlő ellenállás (gate drive resistor):

① Az R1 és R2 MOSFET-vezérlő ellenállások, amelyek fontos hatással vannak a teljesítmény-MOSFET növekedési és lecsengési élének alakulására.

② Az R1, R2 kiválasztását a BUCK teljesítményvezérlő kimeneti árama szabályozza (vezérlő (PULL és PUSH ellenállások), a teljesítmény MOSFET kapuimpedanciája és töltési jellemzői (bemeneti kapacitás CISS) komplex okok miatt befolyásolják a kezdeti tervezési választást, az összes ellenállás összege legfeljebb 10 ohm kell legyen, de függ a töltési jellemzőktől is, végül finomhangolásra van szükség, megfelelő ellenállásérték kiválasztása.

③ Az R1 és R2 a kapcsolási zaj EMC szempontjából is kritikus paraméterek, miközben befolyásolják a kapcsolóveszteséget a magkör fontos tényezőiként, a gyakorlati alkalmazásokban az hatékonyságot (MOSFET melegedése) és az EMC ellentmondásait ki kell egyensúlyozni, hogy optimális pontot érjen el.

Megjegyzés: 6 tesztpont a kapcsolási jellemzők és halott idő mérésére.

Kimeneti teljesítményhurok:

① Induktivitás kiválasztása: Az induktivitás kiválasztása két fő szempont alapján történik:

-Tranziens működési áram: képes tranzíciós kimenetre 21 (24) A (idő: 100 μs);

-Állandósult állapotú üzemeltetési áram: 10 A, stabilan működik 10 A áram mellett (a környezeti hőmérséklet 85 °C-ig terjedő tartományát is lefedve);

-Tranziens üzemeltetési áram időtartama ≤ 100 μs, és az indítási fázisban következik be, elegendő biztosítani, hogy az induktor ne telítődjön (az áramhoz tartozó induktivitás értékének megfelelését biztosítani kell).

② Mintavételező ellenállás kiválasztása: mintavételező ellenállás kiválasztása R1206-es tokba, hőteljesítmény ≥ 0,5 W;

③ Kondenzátorok kiválasztása: lásd a fejezet első részét, kimeneti szűrőkondenzátor fejezet;

Visszacsatoló áramkör:

Az LM25149 eszköznek létezik rögzített kimeneti konfigurációja és visszacsatolt kimeneti konfigurációja, a részletekért lásd a gyártói adatlapot;

① R14l csatlakoztatva a VDDA-hoz, 3,3 V-os kimenet

② R14=24,9 K, 5,0 V-os kimenet

③ R14=49,9 K, 12,0 V-os kimenet

Üres forrasztás R14, R9 és R10 konfigurálja a kimeneti feszültséget;

R19 és fenntartott TP3, TP4: teszteléshez, fázistolérance, metszési frekvencia stb.

Megjegyzés: TP3 és TP4 tesztelésre szolgál: fázistolérancia, metszési frekvencia stb.

Funkcióbeállítás:

① EN: Engedélyező jel, ≥1,0 V bekapcsolja az áramkört, használható pontos alulfeszültség-védelemhez;

② Sync-PG: Szinkron kimenet vagy Power good (teljesítmény jó), ebben a kialakításban a Power good funkcióhoz használják;

③ PFM/SYNC

-Alapértelmezett (NC) jumper: Dioda analóg, kis áramkimenet, magas hatásfokkal üzemelhet;

-Rövidzárlat a jumperrel a föld felé, kényszerített CCM mód;

④ A chip működési módjának beállítása: összesen ötféle működési mód (lásd a specifikációt)

2.4 BUCK tápegység-PCB tervezés

2.4.1 BUCK tápegység-PCB tervezés

① -FELSŐ

② -GND

③ -JEL

④ -ALUL

2.4.2 BUCK tápegység-PCB tervezés – technológiai kitérő

Bemeneti és kimeneti kapacitáshurok:

① A BUCK tápegység bemeneti és kimeneti kapacitásának minimális hurokká alakítása jelentős hatással van az EMC-re;

② A C4 főként a kapcsolási élhullámok okozta zaj elnyelésére szolgál.

MOSFET-ek és induktív hurkok:

① A kétin-egyben MOSFET-ek használata csökkenti a nyomtatott áramkör területigényét és költségét, hátránya viszont, hogy a SW elrendezés nem tudja fenntartani a minimális hurkot;

② A kétin-egyben MOSFET SW pontja nem képes azonos rétegű PCB elrendezést megvalósítani, így rétegváltás szükséges a sínek elhelyezéséhez a folyamatos tápáram biztosítása érdekében.

Áramminta vétel:

① Az árammintavételhez differenciális elrendezés és referencia GND sík szükséges;

② Impedancia vezérlés és azonos hosszúság nem szükséges, az elrendezés fenntartja a minimális távolságot.

FB Visszacsatolás:

Ellenállások és más alkatrészek közel helyezkednek el a vezérlő IC lábainak közelében.

Hűtés és GND:

Hőt termelő alkatrészek: MOSFET-ek, induktorok és mintavételi ellenállások, célszerű növelni a síkok területét a hő elvezetése érdekében, valamint a GND átfúrások számának növelése segíthet a teljes verzió hűtési viszonyainak javításában.

3. Tartományvezérelt 1. szintű BUCK tápegység tervezés – Összefoglalás

3.1 3D-s rajz

3D Ábra-1

3D Ábra-2

3.2 Tervezési összefoglaló

① A kapcsoló tápegység tervezése egy 4 rétegű kialakítást alkalmaz, a PCB vastagsága 1,6 mm, mérete 30X65 mm;

② A kimeneti áram képes elérni a Qualcomm SA8295 maximális 24 A tranziens áramát, támogatja a legalább 10 A folyamatos kimeneti teljesítményt.

4- Névjegy Codaca Elektronika

Codaca kiemeli az induktorok önálló kutatás-fejlesztését, tervezését és gyártását, a VSEB0660-1R0M alkalmas a Qualcomm platform fejlesztésére és alkalmazására. Magas költséghatékonyság, magas teljesítményteljesítő képesség, alacsony hőtermelés és iparvezető teljesítmény/térfogat arány jellemzi. Codaca kiemeli a technológiai kutatás-fejlesztést, technológiai innovációt, valamint kiemelkedő termékek fejlesztését az induktoripar számára, segítve az elektronikai termékek fejlesztését és alkalmazását.

5- Tesztelés és ellenőrzés

A követő vizsgálati ellenőrzéshez, kérjük, tekintse meg a következőt: 03-Deciphering Qualcomm's Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Performance Test Measurement Analysis (hamarosan megjelenik)

[Hivatkozás]

1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1

2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E