Lo sviluppo rapido del settore dei veicoli a nuova energia ha spinto una crescita esplosiva di ogni catena industriale, l'intelligenza automobilistica e la guida autonoma sono diventate le direzioni della competitività nucleare più importante per i veicoli a nuova energia, al cervello centrale altamente integrato ed ai controller di dominio arrivano nuove sfide ed opportunità, in particolare per la affidabilità degli alimentatori switching DC-DC, alta densità di potenza, EMC degli alimentatori switching, alta efficienza, economicità creano nuove opportunità e sfide.
Qualcomm, come fornitore del controller di dominio intelligente, SA8155 e SA8295 occupa una posizione importante; la corrente transitoria del livello 1 dell'alimentazione SOC per il controllo centrale (alimentazione convertita da livello batteria in ingresso livello 1), la corrente operativa stabile, l'efficienza operativa in standby, i costi, la contraddizione tra progettazione EMC dell'alimentatore switching è diventata una grande sfida per la progettazione dell'alimentatore BUCK. Come risolvere ed equilibrare queste contraddizioni rappresenta la direzione tecnica dell'architettura dell'alimentatore switching, del chip di alimentazione, dell'induttore, del Mosfet e del condensatore.
Questo documento combina la progettazione dell'alimentazione di livello 1 per il controllo centrale automobilistico con corrente dinamica di commutazione elevata (100-300%), per esplorare la progettazione dell'alimentatore switching DC-DC, inclusi schema di alimentazione, selezione di induttori, condensatori e altri metodi di progettazione; considerando le sfide legate a dimensioni, costo, efficienza e prestazioni, si approfondisce una progettazione pratica ed efficace.
Questo documento esplora e implementa la progettazione reale di un alimentatore switching BUCK a una fase utilizzando come esempio il controller di dominio Qualcomm SA8295.
Questa serie di articoli contiene tre serie (aggiornamenti continui futuri):
01- Decrittografia della progettazione dell'alimentazione livello 1 del controller di dominio automobilistico Qualcomm: Progettazione e calcolo dell'alimentazione (questo capitolo)
02- Demistificare il design dell'alimentazione elettrica di livello 1 del controller di dominio automobilistico Qualcomm: progettazione dello schema elettrico e progettazione PCB
03- Decodificare il design dell'alimentazione elettrica di livello 1 del controller di dominio automobilistico Qualcomm: analisi delle misurazioni dei test di prestazione
1- Obiettivi e sfide della progettazione
1.1 Requisiti della Corrente Transitoria SA8295
Tabella 1: Requisiti del Progetto di Alimentazione SA8295
1.2 Requisiti della corrente in standby SA8295
Consumo di alimentazione in standby del SoC Qualcomm a 3,3V entro 4-7,5 mA (incluso il consumo per il refresh automatico della memoria), supporta il risveglio da standby.
L'intero consumo di corrente del cervello centrale (controller di dominio cockpit) per l'intera auto è compreso tra 7-10 mA (13,5 V), il modulo 4G/5G da solo consuma 4-5 mA, la corrente Qualcomm SA8295 a 13,5 V è inferiore a 3 mA (40 mW).
1.3 Tre sfide
1.3.1 Sfida 1: Corrente di uscita dell'alimentatore switching del SA8295 di controllo di dominio Qualcomm
Corrente transitoria elevata, 3,3V, 18 Ampere (0,1ms), 0,1ms per l'alimentazione switching DC-DC già appartiene all'output dello stato stazionario prolungato, necessita di un alimentatore Buck progettato in base all'output stabile da 18 Ampere.
1.3.2 Sfide dinamiche ad alta corrente dell'alimentazione switching SA8295 del dominio Qualcomm 2:
La corrente operativa nello stato stazionario del controllo domini SA8295 è compresa tra 5 e 9 Ampere, causando una selezione dell'induttanza dell'alimentazione switching (l'induttanza e la dimensione della corrente sono inversamente proporzionali) con differenze superiori al 300% rispetto alla corrente operativa stabile, generando una maggiore contraddizione tra volume, costo e frequenza.
1.3.3 Sfide relative all'efficienza micropower dell'alimentazione switching SA8295 del dominio Qualcomm 3:
Consumo in standby, richiede efficienza a 13,5V 3mA pari al 70%, che rappresenta una grande sfida anche per l'architettura del controller di alimentazione e la scelta dell'induttore.
Questo design si basa sul design della più complessa alimentazione step-down a un livello SA8295, per esplorare le difficoltà principali delle alimentazioni a commutazione e delle soluzioni tecnologiche DC-DC.
2- Confronto della selezione del programma
2.1 Requisiti tecnici per l'alimentazione del dominio di controllo Qualcomm SA8295
Come mostrato nella tabella 2:
Tabella 2: Requisiti delle specifiche di progettazione dell'alimentatore Qualcomm SA8295
2.2 Progetto del programma e informazioni tecniche
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 e LM25149-Q1 possono soddisfare i requisiti di progettazione. In questo progetto, LM25149-Q1 è stato scelto come schema di progettazione dell'alimentazione primaria per il controller del dominio centrale.
2.2.1 Indirizzo ufficiale LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tabella 3: Riferimenti per la progettazione LM25149-Q1
2.2.2 Scheda tecnica LM25149-Q1:
2.2.3 Scheda di sviluppo LM25149-Q1:
Guida utente per EVM LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 Stabilità e prestazioni del filtro attivo:
Come garantire la stabilità e le prestazioni dei filtri EMI attivi (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 Strumenti di Progettazione :
Strumento di calcolo LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com
3- Alimentatore sincrono BUCK: progettazione e calcolo
3.1 Specifiche principali e parametri di progetto del LM25149
Tabella 4: Requisiti delle specifiche di progettazione dell'alimentatore Qualcomm SA8295
Efficienza
Filtri EMI Attivi
Test EMI
Schema del Design di Riferimento
Scheda di Valutazione della Soluzione Design di Riferimento
3.2 Calcolo dell'Induttore per LM25149 Synchronous BUCK
3.2.1 Formula di calcolo dell'alimentatore switching Synchronous BUCK:
Tabella 5: Equazione di calcolo per l'alimentatore Synchronous BUCK
3.4 Calcolo dell'Induttanza Minima
(Per le formule, vedere la Tabella 5.)
Tabella 6: Grafico calcolato dell'induttanza minima (∆I=0.3)
Tabella 7: Calcolo dell'induttanza minima
3.4.1 Sintesi dei dati del calcolo dell'induttanza:
① Se la progettazione copre l'intervallo 6-20A (calcolo AI=0,3), ingresso 16V, uscita 6A, induttanza ≥ 0,69μH.
② Calcolo teorico dell'induttanza Lmin per l'alimentatore a commutazione: ≥ 0,69μH (teorico);
③ Considerando la selezione effettiva della progettazione e l'errore di induttanza ±20%, scegliere 0,82μH e 1,0μH come migliore progettazione (aumentando il valore dell'induttanza, aumentano volume e costo, mentre la frequenza di risonanza serie SRF diminuisce).
3.5 Calcoli della corrente dell'induttore
(Formula: fare riferimento alle tabelle 1 e 2 della tabella 5)
Tabella 8: Calcolo della corrente dell'induttore da 0,82μH
Tabella 9: Calcolo della corrente dell'induttore da 1,0μH
3.5.1 Corrente di saturazione dell'induttore calcolata teoricamente ≥ 20,76A, arrotondata a 21A:
Tabella 10: Indicatori di Induttanza
4- Selezione dell'induttore per l'alimentatore a commutazione
Tabella 11: Selezione dell'induttore
4.1 Calcolo della resistenza di campionamento della corrente dell'induttore per l'alimentatore a commutazione LM25149
Tabella 12: Calcolo teorico della resistenza di campionamento della corrente dell'induttore
Tabella 13: Selezione del resistore di campionamento induttivo
4.2 Calcolo della capacità di uscita per l'alimentatore sincrono BUCK a commutazione
(Calcolo della capacità di uscita: fare riferimento alla formula nella Tabella 5)
Tabella 14: Calcolo della capacità di uscita per l'alimentatore sincrono BUCK a commutazione
Nella progettazione di un alimentatore switching BUCK sincrono, esiste una contraddizione tra le prestazioni, il volume e il costo dei condensatori di filtro di ingresso e uscita. L'indice delle specifiche della capacità viene verificato in condizioni specifiche; a causa delle differenze negli strumenti utilizzati durante il processo di test, lo stesso indice può presentare una differenza del 10-50%. Le prestazioni finali del design devono essere validate attraverso prove pratiche e test scientifici durante la fase di messa a punto (non esiste una soluzione ottimale per il progetto, ma solo la selezione di quella adatta allo scenario specifico) (Non esiste una soluzione ottimale per il progetto, si sceglie quella più adatta al contesto).
I condensatori di commutazione devono soddisfare i seguenti requisiti: capacità ≥ 320uF (richiesto per evitare overshoot), capacità del condensatore ceramico maggiore di 2,435uF (non è una condizione critica, ma da rispettare se possibile)
Tabella 15: Selezione consigliata dei modelli per i condensatori di filtro di uscita dell'alimentatore switching
Tabella 16: Progettazione del condensatore di filtro di uscita per alimentatore switching
4.3 Calcolo della capacità di ingresso dell'alimentatore LM25149
4.3.1 Calcoli della capacità di ingresso
Tabella 17: Calcoli del filtro di ingresso per l'alimentatore a commutazione
Tabella 18: Selezione del filtro di uscita dell'alimentatore a commutazione
4.4 Calcolo per la selezione dei Mosfet LM25149
4.4.1 Calcoli Mosfet
Il datasheet del LM25149 non presenta molti calcoli e calcoli di selezione; i calcoli di QG e la selezione basati su stime empiriche inverse, i risultati dei calcoli selezionano un Vgs di 4,5-5,0V, ≤ 22nC; il processo di calcolo fa riferimento alla seguente tabella; selezionare la plateau di Miller tra 2-3V (accettabile anche vicino a 3V); selezionare un Rdson ≤ 8mΩ.
Tabella 19: Selezione e calcoli Mosfet
4.5 Raccomandazioni per la selezione dei Mosfet
Tabella 20: Modelli di selezione Mosfet
4.6 Calcoli del FB e della compensazione LM25149
Tabella 21: Calcoli di FB e compensazione
4.7 Calcoli progettuali LM25149 EMC
Senza esagerare nell'analisi, fare riferimento alle specifiche.
5- Sintesi del progetto
5.1 Sintesi della progettazione del alimentatore LM25149BUCK
Tabella 22: Progettazione e Selezione
5.2 Sintesi del programma
Le prestazioni e l'efficienza dell'alimentatore sincrono a commutazione sono influenzate da molti fattori; le prestazioni e gli indicatori devono tenere conto dei fattori reali. Questo capitolo è utilizzato per calcoli teorici e per fornire indicazioni teoriche al progetto reale. Le prestazioni e gli indicatori del progetto sono strettamente correlati alle caratteristiche dei componenti, alle condizioni d'uso, al layout, ecc., e richiedono test rigorosi e verifiche.
La progettazione di un alimentatore sincrono buck per il dominio ad alta tensione è un settore tecnico complesso della tecnologia di progettazione dei controller; richiede un equilibrio tra prestazioni, dimensioni, costo. Kodak Ka si concentra sulla ricerca e sviluppo autonomo degli induttori. CSEB0660-1R0M è adatto per lo sviluppo e l'applicazione della piattaforma ad alta tensione, presenta vantaggi tecnici come un elevato rapporto qualità-prezzo, una forte resistenza alla corrente di saturazione, ridotta generazione di calore e un alto rapporto potenza/volume leader nel settore. Kodak Ka si dedica alla ricerca e sviluppo tecnologico, all'innovazione e alla creazione di prodotti eccellenti per l'industria degli induttori, al fine di supportare lo sviluppo e l'applicazione dei prodotti elettronici.
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