A Qualcomm Automotive Domain Controller első fokozatú tápegységének tervezési kódjának dekódolása: Kapcsolási rajz tervezése és NYÁK tervezése

Az új energiájú járművek iparának gyors fejlődése különféle ipari láncok robbanásszerű növekedését ösztönözte, az autók intelligenciája és az önálló vezetés pedig az új energiájú járművek legfontosabb magkompetitivitási irányává vált, új kihívásokat és lehetőségeket teremtve a magas szinten integrált központi agynak és tartományvezérlőnek, különösen a DC-DC kapcsolóüzemű tápegységek megbízhatóságát, nagy teljesítménysűrűséget, EMC-t, magas hatásfokot és költséghatékonyságot illetően.

Mint intelligens műszerfal-tartományvezérlők szállítója, az SA8155 és az SA8295 fontos helyet foglal el, és az átmeneti áram, a stabil üzemi áram, az alvó állapot hatékonysága, a költség, valamint a központi tartományvezérlő SOC elsődleges tápegységének (az akkumulátor bemenetéről származó elsődleges szintű átalakított tápfeszültség) kapcsolóüzemű tápegység EMC-tervezése közötti ellentét hatalmas kihívást jelent a BUCK tápegység-tervezés számára. Ezeknek az ellentéteknek a megoldása és kiegyensúlyozása a kapcsolóüzemű tápegység-architektúra, a tápegység-IC-k, tekercsek, MOSFET-ek és kondenzátorok gyártóinak közös technikai iránya.

Ez a cikk a nagy dinamikájú kapcsolóüzemű tápegységek (100-300%) központi doménvezérlésének elsődleges tápellátásaként szolgáló DC-DC kapcsolóüzemű tápegység tervezését tárgyalja, beleértve a tápfelületi séma, induktor, kondenzátor kiválasztását és egyéb tervezési módszereket, figyelembe véve a méret, költség, hatékonyság és teljesítmény kihívásait.

Ez a fejezet a Qualcomm SA8295 doménvezérlőjét veszi példaként a BUCK típusú kapcsolóüzemű tápegység első fokozatának gyakorlati tervezésének bemutatására és megvalósítására.

Ennek a fejezetnek el kell olvasni az első sorozatot (részletes BUCK kapcsolóüzemű tápegység-elmélet és számítás), majd részletesen megtervezni a BUCK tápegységet az LM25149 alapján.

Ez a cikksorozat három részből áll (folyamatos frissítésekkel):

01-A Qualcomm Automotive Domain Controller első fokozatú tápegységének tervezési kódjának dekódolása: Tápellátás tervezése és számítása

02 – A Qualcomm Automotív Doménvezérlő Első Fokozatú Tápellátásának Elemzése: Kapcsolási Rajz Tervezése és NYÁK Tervezés (ez a fejezet)

03-A Qualcomm Automotív Domain Controller elsőfokú tápegységének tervezési dekódolása: Teljesítményteszt mérési elemzés

1- Tervezési Célok és Kihívások

1.1 SA8295 Átmeneti Áramkövetelmények

1. táblázat: SA8295 Táptervezési Követelmények

Megjegyzés: A legújabb SA8295 tervezési követelmények 21 A (1 NPU) és 24 A (2 NPU), és ez a tervezés lefedi (30 A túláramvédelem)

1.2 Tervezési célok

Ez a tervezés egy LM25149 tervezésű domain vezérlő elsődleges tápellátását , amely képes kielégíteni a 24 A átmeneti áram (100 μs) igényét, valamint a 10 A feletti állandósult üzemi feltételeket is, így elérve a méret, költség és teljesítmény átfogó egyensúlyát.

Megjegyzés: Az átmeneti áram nem okoz hőfejlődési problémát (csak Qualcomm SA8295 esetén 100 μs átmeneti áram), az állandósult nagy áram növeli a hőmérséklet-emelkedést, amelynek hatását mérni kell (a tervezési változatot a tényleges környezeti feltételek alapján kell kiválasztani).

2- Kapcsolási rajz és PCB tervezés

2.1 Alapvető komponensválasztás

A tartományvezérlő elsődleges kapcsoló tápegységének alkatrészei kiválasztásának szempontjai: teljesítmény az első, figyelembe véve a költségeket és a nyomtatott áramkör (PCB) felületének csökkentését; figyelembe véve a BUCK kapcsoló tápegység EMC-problémáját és áramhurok-problémáját, amely összhangban áll a általános BUCK kapcsoló tápegység-tervezési elmélettel és szabályokkal, így az általános tervezési módszerek alkalmazhatók.

Az elektronikus alkatrészek kiválasztásával és számításával kapcsolatos részletekért lásd az 1. fejezetet ( A Qualcomm Automotive Domain Controller első fokozatú tápegységének tervezési kódjának dekódolása: Tápellátás tervezése és számítása )

Ennek a tervezésnek a 2. lehetősége (nyolc 47uF-os C1210 csomagolású kerámia kondenzátor használata). A tervezés nem korlátozódik erre a kiválasztásra, a terméktervezés az aktuális helyzet szerint módosítható, és a tervezés az aktuális teszteredmények 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: modell VSEB0660-1R0MV

4. táblázat: Induktor kiválasztása

2.1.3 A BUCK tápegység kimeneti szűrőkondenzátorának kiválasztása

5. táblázat: A BUCK tápegység kimeneti szűrőkondenzátorának kiválasztása

2.1.4 BUCK tápegység - bemeneti szűrőkondenzátorok kiválasztása

6. táblázat: BUCK tápegység - bemeneti szűrőkondenzátor kiválasztása

2.2 Kapcsolási rajz és nyomtatott áramkör (PCB) tervezési eszközök

2.2.1 Sémadiagram és NYÁK tervezés: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)

1. ábra: A Caritron EDA bemutatása

A JLC Technology EDA Kínában a vezető ingyenes EDA fejlesztőeszköz, amely rendelkezik hatékony funkciókkal és magas fejlesztési hatékonysággal; ebben a tervezésben a JLC Technology EDA segítségével készült a sémadiagram és a NYÁK.

2.3 BUCK tápegység - kapcsolási rajz tervezése

2.3.1 BUCK tápegység - kapcsolási rajz tervezése

Az elvi tervezés az LM25149-Q1 specifikációra és a hivatalos fejlesztőkártyára hivatkozik, a tervezés pedig megfelel a BUCK kapcsolóüzemű tápegységek alapvető elméletének, valamint a magas áteresztési tartományú vezérlők elsődleges tápellátására vonatkozó tervezési követelményeknek.

2. ábra: Az LM25149 sémadiagramja

2.3.2 BUCK tápegység - kulcstechnológiák a sémadiagram-tervezésben

Bemeneti EMC kör:

Technikai szempontok:

① Az L1 fő funkciója a kapcsoló üzemmódú tápegység által keltett vezetett és sugárzott zaj hatásának csökkentése a bemeneti tápfeszültségen. A kapcsoló üzemmódú tápegység kapcsolási frekvenciája 2,2 MHz, az L1 és a C23 egy LC szűrőkört alkot (a C16 elektrolit kondenzátor, főként 500 kHz alatti alacsony frekvenciákra), és a 2,2 MHz-es jelet 60 dB-rel csökkenti.

② A C21 csökkenti a kapcsolási zajt (a teljesítménytranzisztor be- és kikapcsolási élringását), elsősorban az 10–100 MHz-es tartományú EMC-zajt csökkenti.

③ Ha a C21 és C23 kondenzátorokat első fokozatú tápellátásban használják (védelem előtt), akkor hajlékony terminálú kondenzátormodellel kell választani, ha viszont védett, akkor autóipari minősítésű kondenzátort is lehet választani. Hasonló védelmi mechanizmus két sorba kötött kondenzátorral is megvalósítható.

Ugyanazok a követelmények vonatkoznak a teljesítmény MOSFET-ekre és az LM25149 bemeneti kondenzátorokra, valamint az árnyékoló kondenzátorokra; ezt a tervezést nem teljesítménymeghatározás céljából használják, egyetlen kerámia kondenzátor alkalmazásával, míg a termékszintű tervezés az autóipari osztályú tervezési követelményeket követi.

Megjegyzés: Az LM25419 aktív EMC-kompenzáció és a kettős véletlenszerű szórásmodulációs technológia csak bizonyos mértékig csökkenti az EMC-amplitúdót, az EMC-t pedig nem lehet teljesen kiküszöbölni; a 2,2 MHz-es kapcsolási frekvenciájú összefüggő energiára, valamint nagy áram (≥10 A) feletti alkalmazásokra továbbra is fennáll a szabványt meghaladó kockázat, így az aktuális hibakeresés dönt a végső megoldásról. Amennyiben a C23 eltávolítása után is megfelel a vezetett és sugárzott emisszió, akkor a C23 alkalmazása elhagyható, csökkentve ezzel a költségeket.

BUCK tápegység bemeneti kondenzátorai:

① A C2 és C3 BUCK tápegység bemeneti kondenzátorok, amelyek kritikusak a kapcsoló üzemmódú tápegység EMC teljesítményéhez. A 10 μF-os kondenzátoroknál olyan impedanciát kell választani, amely kb. 2 MHz-en ≤5 mΩ. A CGA4J1X8L1A106K125AC és a CGA6P1X7S1A476M250AC jó technikai mutatókkal rendelkezik referencia céljára. A kondenzátor kiválasztásánál X7R dielektrikumot, 35 V/50 V feszültségállóságot, C1210 és C1206 tokozást lehet választani. Ebben a tervezésben a C1210 tokozás került kiválasztásra, ami lehetővé teszi a széles körű modell-ellenőrzési teljesítményt.

② A C4 magasfrekvenciás kapcsolási EMC kondenzátor, 50 V-os X7R, C0402 tokozású kiválasztandó.

A C2, C3, C4 elrendezése (layout) során figyelmet kell fordítani az áramhurokra (lásd: Layout részletei), ki kell elégíteni a BUCK tápegység alapvető bemeneti kondenzátor-igényeit és tervezési elméletét. A bemeneti kondenzátor megértésének elmélyítéséhez tanulmányozza a BUCK kapcsolóüzemű tápegység elméletét.

③ A TP7, TP9 és TP13 a kapcsoló TG, BG és SW jeleinek tesztelésére szolgál, valamint a halott zóna időtartamának, a rezgésjelenségnek és a MOSFET emelkedő és lemenő élének teljesítményének megfelelőségét vizsgálja, amely a kapcsolóüzemű tápegység fontos elektromos teljesítménymutatója.

A GND TP mérőpontját az oszcilloszkóp GND hurkjának csökkentésére használják, így javítva a mérési pontosságot; a LAYOUT-nál figyelembe kell venni, hogy a mérőpontot a vizsgált jelhez minél közelebb helyezzék el.

MOSFET-vezérlő ellenállás (gate drive resistor):

① Az R1 és R2 a MOSFET kapu-illesztő ellenállások, amelyek jelentős hatással vannak a teljesítmény-MOSFET emelkedő és lemenő éleire.

② Az R1 és R2 kiválasztását a vezérelt BUCK áramvezérlő kimeneti árama (vezérlő (PULL és PUSH ellenállás), a teljesítmény-MOSFET kapuimpedanciája és töltésjellemzői (bemeneti kapacitás CISS)) együttesen befolyásolja, és az egész ellenállás összesített értékét a kezdeti tervezés során ≤ 10 ohm-ra választják, amely szintén függ a töltésjellemzőktől, és finomhangolásra van szükség a megfelelő ellenállásérték kiválasztásához.

③ Az R1 és R2 továbbá a kapcsolási zaj EMC-jét leginkább befolyásoló kulcsfontosságú paraméterek, valamint a kapcsolási veszteséget befolyásoló alapköri tényezők.

Megjegyzés: 6 mérőpontot használnak a kapcsolási jellemzők és a holttér időtartamának tesztelésére.

Kimeneti teljesítményhurok:

① Induktor kiválasztása: Az induktor kiválasztása főként két tényezőt vesz figyelembe:

- Tranziens üzemi áram: Képes tranziens kimeneti áramként 24 A-t biztosítani (időtartam: 100 μs);

- Állandósult üzemi áram: 10 A, amely mellett stabilan képes üzemelni 10 A-es áram mellett (magában foglalja a 85 °C környezeti hőmérsékleti feltételeket);

-Az átmeneti üzemi áram időtartama ≤ 100 μs, és a rendszer indítási fázisa során következik be, ahol csak az olyan feltétel teljesülése esetén lehet kielégíteni az előírásokat, ha a tekercs induktivitása nem telítődik (az áram induktivitási értékének biztosítása).

② Mintavételi ellenállás kiválasztása: Az R1206 csomagolású mintavételi ellenállás kerül kiválasztásra, hőelvezetési teljesítménye ≥ 0,5 W;

③ Kondenzátorok kiválasztása: Lásd: A fejezet első részében található kimeneti szűrőkondenzátor fejezet;

Visszacsatoló áramkör:

Az LM25149 rögzített kimeneti konfigurációval és visszacsatolt kimeneti konfigurációval rendelkezik, a részletes tartalom a specifikációs dokumentumban található;

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

A kimeneti feszültséget az üres matricán az R14, R9 és R10 ellenállások konfigurálják;

R19 és a fenntartott TP3, TP4: teszteléshez, fázistartalék, átmeneti frekvencia stb. méréséhez;

Megjegyzés: A TP3 és TP4 pontok a fázistartalék, átmeneti frekvencia stb. mérésére szolgálnak;

Funkcióbeállítások:

① EN: engedélyező jel, bekapcsolja az áramellátást ≥ 1,0 V-nál, pontos alulfeszültséges védelemmel védhető;

② Sync-PG: Szinkron kimenet vagy Power Good (Teljesítmény jó), ebben a tervezésben a Power Good funkció szerepel;

③ PFM/SYNC

-Alapértelmezett (NC) jumper: Dióda analóg, kis áramkimenet, magas hatásfokon működhet;

-Rövidrezárt jumper a földhöz (GND), kényszerített CCM üzemmód;

④ Chipes üzemmód-beállítás: összesen 5 üzemmód (lásd a specifikációs könyvet).

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 – kulcstechnológia a PCB tervezéshez

Bemeneti és kimeneti kondenzátorhurkok:

① A BUCK tápegység bemeneti és kimeneti kondenzátorai minimális hurkot alkotnak, amely jelentős hatással van az EMC-re;

② A C4 elsősorban a kapcsoló felfutó és lefutó éleihez tartozó rezgő zaj elnyelésére szolgál.

MOSFET-ek és tekercsek hurkai:

① Az egyszerre két MOSFET használata csökkenti a helyfoglalást és a költségeket, hátránya viszont, hogy a Layout SW nem tarthatja meg a minimális hurkot;

② A 2-in-1 MOSFET SW pontja nem valósítható meg ugyanazon a rétegen belül folyamatos nyomként, a réteg elrendezését változtatni kell a folyamatos teljesítményáram eléréséhez.

Áramminta vétel:

① A mintavételezési áramnak differenciális nyomvonalakat kell alkalmaznia, és szükség van egy referencia GND síkra;

② Nincs szükség impedancia- és hosszszabályozásra, a nyomvonalak megőrzik az elrendezés minimális távolságát.

FB Visszacsatolás:

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

Hűtés és GND:

Fűtőelemek: a MOSFET-ek, tekercsek és mintavételező ellenállások esetében célszerű növelni a hővezetést a síkterületen, a GND átmenőfuratok növelése pedig javíthatja az egész áramkör hűtési körülményeit.

3 - Tartományvezérelt első osztályú BUCK tápegység-tervezés – összefoglalás

3.1 3D-s rajz

3D Ábra-1

3D Ábra-2

3.2 Tervezési összefoglaló

① A kapcsolóüzemű tápegység-tervezés négyrétegű felépítést alkalmaz, a PCB vastagsága 1,6 mm, mérete 30 × 65 mm;

② A kimeneti áram képes kielégíteni a Qualcomm SA8295 maximális tranziens áramigényét, ami 24 A, és támogatja a 10 A feletti állandósult kimeneti teljesítményt.

4- Névjegy Codaca Elektronika

A Codaca az önálló kutatás-fejlesztésre, tervezésre és gyártásra koncentrál tekercsek terén, és a VSEB0660-1R0M alkalmas a Qualcomm platformok fejlesztéséhez és alkalmazásához. Technikai előnyökkel rendelkezik, mint például magas ár-érték arány, erős telítődési áram ellenállás és alacsony hőtermelés, valamint iparvezető teljesítmény-térfogataránnyal rendelkezik. A Codaca a technológiai kutatás-fejlesztésre és innovációra helyezi a hangsúlyt, kiváló termékek kifejlesztésével járul hozzá a tekercsek iparához, és segíti az elektronikai termékek fejlődését és alkalmazását.

5- Tesztelés és ellenőrzés

A következő teszteléshez és ellenőrzéshez lásd: 03- A Qualcomm Automotív Domain Controller elsőfokú tápegységének tervezési dekódolása: Teljesítményteszt mérési elemzés .

[Hivatkozás]

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

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