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 importanti per i veicoli elettrici, verso il cervello centrale altamente integrato ed il controller di dominio presenta nuove sfide ed opportunità, in particolare per la affidabilità degli alimentatori switching DC-DC, l'elevata densità di potenza, la compatibilità elettromagnetica (EMC) degli alimentatori switching, l'efficienza elevata ed il rapporto qualità-prezzo che portano nuove opportunità e sfide.
Qualcomm, come fornitore del controller di dominio intelligente del cockpit, con SA8155 e SA8295 occupa una posizione importante; il livello SOC dell'alimentazione per il controllo centrale del dominio (alimentazione convertita da livello batteria in ingresso livello 1) corrente transitoria, corrente operativa stabile, efficienza operativa in standby, costo e la contraddizione tra progettazione EMC dell'alimentazione a commutazione sono diventati una grande sfida per la progettazione dell'alimentazione BUCK. Come risolvere e bilanciare queste contraddizioni è la direzione tecnologica verso cui lavorare insieme architettura dell'alimentatore a commutazione, produttori di circuiti integrati per alimentazione, induttori, Mosfet e condensatori.
In questo documento, per la progettazione dell'alimentazione di livello 1 del dominio centrale automobilistico con corrente di alimentazione dinamica elevata (100-300%), si esplora il design dell'alimentatore switching DC-DC, inclusa la scelta dello schema di alimentazione, induttore, condensatore e altri metodi di progettazione, considerando le sfide legate a volume, costo, efficienza e prestazioni al fine di realizzare un design pratico.
Utilizzando come esempio il controller di dominio Qualcomm SA8295, in questo capitolo si discute e si implementa la progettazione reale di un alimentatore switching BUCK primario.
Questo capitolo richiede una comprensione approfondita della prima parte della serie (che illustra dettagliatamente la teoria e i calcoli degli alimentatori switching BUCK), per procedere alla progettazione dettagliata di un alimentatore BUCK basato su LM25149.
Questa serie di articoli contiene tre serie (aggiornamenti continui successivi):
01-Dicembre: Analisi della progettazione dell'alimentazione di livello 1 per controller di dominio automobilistico Qualcomm: Progettazione e Calcolo dell'alimentazione (Pubblicato)
02-Decrittografia del Livello 1 del Progetto di Alimentazione del Controller Automobilistico Qualcomm: Progetto dello Schema Elettrico e Progetto PCB (questo capitolo )
03-Decrittografia del Livello 1 del Progetto di Alimentazione del Controller Automobilistico Qualcomm: Analisi delle Misure dei Test sulle Prestazioni (da pubblicare)
1- Obiettivi e Sfide del Progetto
1.1 Requisiti della Corrente Transitoria SA8295
Tabella 1: Requisiti del Progetto di Alimentazione SA8295
Nota: Il progetto più recente richiede 21A (1 NPU) e 24A (2 NPUs), che questo progetto può coprire (protezione contro le sovracorrenti di 30A)
1.2 Obiettivi del progetto
Questo progetto utilizza il LM25149 per progettare l'alimentazione principale del controller di dominio , in grado di supportare una corrente transitoria di 24A (100µs) e soddisfare il requisito operativo in regime permanente superiore a 10A, raggiungendo un equilibrio tra dimensioni, costo e prestazioni.
Nota: La corrente transitoria non pone problemi termici (per il Qualcomm SA8295, la corrente transitoria dura soltanto 100µs). Tuttavia, una forte corrente in regime permanente può causare un aumento della temperatura, quindi è necessario valutare l'impatto delle prestazioni termiche (la soluzione progettuale deve essere scelta in base alle reali condizioni ambientali).
2 - Schema e progettazione PCB
2.1 Selezione dei componenti principali
Criteri per la selezione dei componenti dell'alimentatore switching a livello del controller di dominio: priorità alle prestazioni, considerando il costo e riducendo al contempo l'area del PCB; considerare le problematiche EMC e quelle relative al loop di corrente nell'alimentatore switching BUCK, seguendo le teorie e le regole generali di progettazione degli alimentatori switching BUCK, facendo riferimento alla metodologia progettuale standard.
Vedere il Capitolo 1 per i dettagli sulla selezione e il calcolo dei componenti elettronici (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)
Questa progettazione seleziona l'opzione 2 (utilizzando otto condensatori ceramici da 47uF nel package C1210). La progettazione non è limitata a questa scelta, la progettazione del prodotto può essere adattata in base alla situazione effettiva del modello, e ottimizzata sulla base dei risultati reali dei test.
Tabella 2: Alimentazione BUCK - Schema di progettazione
2.1.1 Alimentazione BUCK - Selezione del MOSFET
Tabella 3: Alimentazione BUCK - Selezione del MOSFET
2.1.2 Alimentazione BUCK - Selezione dell'induttore
Selezione dell'induttore utilizzando il numero modello: VSEB0660-1R0MV
Tabella 4: Selezione dell'induttore
2.1.3 Alimentazione BUCK - Selezione del condensatore di filtro d'uscita
Tabella 5: Alimentazione BUCK - Selezione del condensatore di filtro d'uscita
2.1.4 Alimentazione BUCK - Selezione del condensatore di filtro d'ingresso
Tabella 6: Alimentazione BUCK - Selezione del condensatore di filtro d'ingresso
2.2 Strumenti per la progettazione di schemi e PCB
2.2.1 Progettazione di schemi e PCB: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Figura 1 Introduzione a Caritron EDA
Jialitron EDA è uno strumento gratuito leader per lo sviluppo EDA, potente ed efficiente; questo progetto utilizza Jialitron EDA per progettare gli schemi e le PCB.
2.3 Alimentazione BUCK - Progettazione dello schema elettrico
2.3.1 Alimentazione BUCK - Progettazione dello schema elettrico
La progettazione dello schema elettrico si basa sul datasheet del LM25149-Q1 e sulla scheda di sviluppo ufficiale; il progetto rispetta la teoria fondamentale dell'alimentazione switching BUCK e i requisiti di progettazione dell'alimentazione principale per controller ad alta tensione.
Figura 2 Schema elettrico LM25149
2.3.2 Alimentatore BUCK - Tecnologia basata sulla progettazione dello schema elettrico
Circuito EMC della porta di ingresso：
Punti tecnici:
① Il ruolo principale di L1 è ridurre l'impatto del rumore irradiato dalla conduttanza dell'alimentatore switching sulla tensione di ingresso; la frequenza di commutazione dell'alimentatore switching è di 2,2 MHz. L1 e C23 formano un circuito filtro LC (C16 è un condensatore elettrolitico per le basse frequenze al di sotto dei 500 kHz), che riduce il rumore a 2,2 MHz di circa 60 dB.
② C21 riduce il rumore di commutazione (risonanza durante l'accensione e lo spegnimento del transistor di potenza) e principalmente attenua il rumore EMC compreso tra 10-100 MHz.
③ Se C21 e C23 sono collegati prima della protezione dell'alimentatore, è necessario scegliere un tipo di condensatore con terminale flessibile; se invece sono protetti, si possono utilizzare condensatori conformi alle specifiche automotive. È inoltre possibile utilizzare due condensatori in serie disposti ortogonalmente per realizzare un meccanismo di protezione simile.
Per i MOSFET di potenza e la capacità di ingresso del LM25149, la capacità di disaccoppiamento ha gli stessi requisiti; questa soluzione non è utilizzata per la verifica delle prestazioni ed è previsto l'utilizzo di un'unica ceramica, seguire i requisiti di progettazione automobilistica per il design a livello produttivo.
Nota: La tecnologia attiva di eliminazione EMC del LM25419 e la doppia tecnologia di spettro diffuso casuale riducono solo in una certa misura l'ampiezza EMC, ma non riescono ad eliminarla completamente. Per le applicazioni con frequenza di commutazione di 2,2 MHz correlate all'energia e corrente elevata (≥ 10A), esiste il rischio di superare gli standard stabiliti; si dovrà fare riferimento al debug reale: se rimuovendo C23 la radiazione riesce comunque a passare la conduzione, si potrà risparmiare sull'applicazione di C23 riducendo il costo.
Condensatori di ingresso per alimentazione BUCK:
① C2, C3 per la capacità di ingresso della potenza BUCK, per le prestazioni EMC dell'alimentatore a commutazione è fondamentale; selezionare una capacità di 10uF con impedenza vicina ≤ 5mΩ a 2MHz. I modelli CGA4J1X8L1A106K125AC e CGA6P1X7S1A476M250AC presentano buone specifiche tecniche da utilizzare come riferimento. La scelta della capacità può ricadere su tecnologia X7R, tensione di tenuta 35V/50V, package C1210 e C1206 sono accettabili. In questa progettazione è stato selezionato il package C1210, in modo da disporre di più modelli per verificare le prestazioni.
② C4 per condensatore EMC di commutazione ad alta frequenza, scegliere X7R a 50V, va bene il package C0402.
C2, C3, C4, nella disposizione bisogna prestare attenzione al loop della corrente (vedere dettagli Layout), rispettando i requisiti fondamentali e la teoria di progettazione per la capacità di ingresso della potenza BUCK. È consigliabile approfondire la teoria degli alimentatori a commutazione BUCK per comprendere meglio l'uso delle capacità di ingresso.
③ TP7, TP9, TP13 vengono utilizzati per testare i segnali di commutazione TG, BG e SW, nonché per verificare la ragionevolezza del tempo morto, le prestazioni di ringing e le caratteristiche dei fronti di salita e discesa del MOSFET; costituiscono un indicatore importante per le prestazioni elettriche dei convertitori switching.
Il punto di test TP per GND viene utilizzato per ridurre il loop di massa dell'oscilloscopio durante il test e migliorare l'accuratezza delle misure; nella progettazione del layout, esso deve essere posizionato il più vicino possibile ai punti di test dei segnali interessati.
Resistore di pilotaggio della porta MOSFET:
① R1 e R2 sono resistori di pilotaggio della porta MOSFET, che influenzano in modo significativo i fronti di salita e discesa del MOSFET di potenza.
② La selezione di R1 e R2 è controllata dalla corrente di uscita del controller di potenza BUCK (controller (resistenze PULL e PUSH), impedenza della porta del MOSFET di potenza e caratteristiche di carica (capacità di ingresso CISS)), motivi complessivi che influenzano la somma iniziale delle resistenze scelte, deve essere ≤ 10 ohm, ma dipende anche dalle caratteristiche di carica ed eventualmente richiede un'ottimizzazione fine. È necessario scegliere il valore appropriato di resistenza.
③ R1 e R2 sono inoltre i parametri più critici per il rumore EMC durante l'interruzione, mentre rappresentano fattori chiave che influenzano le perdite di commutazione del circuito principale. Nelle applicazioni pratiche è necessario bilanciare efficienza (riscaldamento del MOSFET) e contraddizioni EMC per raggiungere un punto di equilibrio.
Nota: 6 punti di test per verificare le caratteristiche di commutazione e il tempo morto.
Loop di potenza d'uscita:
① Selezione dell'induttanza: La scelta dell'induttanza si basa su due considerazioni principali:
-Corrente operativa transitoria: in grado di erogare una corrente transitoria di 21 (24) A (tempo: 100 μs);
-Corrente operativa in regime stazionario: 10A, in grado di funzionare stabilmente a una corrente di 10A (condizioni di temperatura ambiente fino a 85°);
-Durata della corrente operativa transitoria ≤ 100us e si verifica nella fase di avvio; è sufficiente garantire che l'induttore non vada in saturazione per soddisfare i requisiti (valore dell'induttanza richiesto).
② Selezione della resistenza di campionamento: selezionare una resistenza R1206 con dissipazione termica ≥ 0.5W;
③ Selezione dei condensatori: fare riferimento alla prima parte del capitolo sulla capacità del filtro di uscita;
Circuito di retroazione:
Il LM25149 dispone di una configurazione di uscita fissa e di una configurazione con retroazione; consultare il datasheet per ulteriori dettagli;
① R14l collegato a VDDA, fornisce 3,3V
② R14=24,9K, fornisce 5,0V
③ R14=49,9K, fornisce 12,0V
Resistenze R14, R9 e R10 lasciate vuote per configurare la tensione di uscita;
R19 e TP3, TP4 riservati: per test, margine di fase, frequenza di crossover, ecc.
Nota: TP3 e TP4 vengono utilizzati per test, margine di fase, frequenza di crossover, ecc.
Impostazione Funzione:
① EN: Segnale di abilitazione, ≥1,0V accende l'alimentatore, può essere utilizzato per una protezione precisa da sottotensione;
② Sync-PG: Uscita sincrona oppure Alimentazione OK, in questo progetto viene utilizzato per Alimentazione OK;
③ PFM/SYNC
-Jumper predefinito (NC): Analogico a diodo, uscita a corrente ridotta, può funzionare con alta efficienza;
-Collegamento a corto circuito del jumper verso massa, forza la modalità CCM;
④ Impostazioni della modalità operativa del chip: un totale di cinque modalità operative (vedere la specifica tecnica)
2.4 Alimentatore BUCK - Progetto PCB
2.4.1 Alimentazione BUCK - Progettazione PCB
① -TOP
② -GND
③ -Segnale
④ -Bottom
2.4.2 Alimentazione BUCK - Focus tecnologico sulla progettazione PCB
Loop di capacità di ingresso e uscita:
① La capacità di ingresso e la capacità di uscita dell'alimentazione BUCK per mantenere un loop minimo hanno un impatto importante su EMC;
② C4 viene utilizzato principalmente per assorbire il rumore dell'oscillazione degli edge di commutazione.
MOSFET e loop induttivi:
① L'utilizzo di MOSFET a due in uno riduce l'ingombro del layout e abbassa i costi, ma lo svantaggio è che il punto SW non può mantenere il loop minimo;
② Il punto SW del MOSFET a due in uno non può realizzare l'allineamento dello stesso strato del PCB e deve cambiare strato per realizzare la continuità della corrente di alimentazione;
Corrente di campionamento:
① La corrente di campionamento richiede un allineamento differenziale con un piano GND di riferimento;
② Non sono richiesti controllo dell'impedenza e uguale lunghezza, e l'allineamento mantiene la distanza minima del layout.
Feedback FB:
Resistenze e altri componenti devono essere posizionati vicino ai piedini del regolatore.
Dissipazione del calore e GND:
Componenti che generano calore: MOSFET, induttori e resistenze di campionamento; è possibile aumentare opportunamente l'area del piano per condurre il calore, e incrementare le forature GND può aiutare a migliorare le condizioni di dissipazione del calore dell'intera scheda.
3 - Alimentatore BUCK a livello controllato Domain 1 - Sintesi
3.1 Disegno 3D
figura 3D-1
figura 3D-2
3.2 Sintesi del Design
① Il design dell'alimentatore a commutazione adotta un design a 4 strati con uno spessore della scheda PCB di 1,6 mm e una dimensione di 30X65 mm;
② La corrente di uscita può soddisfare la massima corrente transitoria Qualcomm SA8295 di 24 A, supporta una capacità di uscita in stato stazionario di 10 A o superiore.
4- Informazioni su Codaca Elettronica
Codaca si concentra sulla ricerca e sviluppo autonomo degli induttori, progettazione e produzione, VSEB0660-1R0M è adatto per lo sviluppo e l'applicazione della piattaforma Qualcomm. Possiede i vantaggi tecnici di elevata convenienza, alta resistenza alla corrente di saturazione, ridotta generazione di calore e rapporto potenza/volume leader nel settore. Codaca si dedica alla ricerca e sviluppo tecnologico, all'innovazione tecnologica e allo sviluppo di prodotti eccellenti per il settore degli induttori, al fine di supportare lo sviluppo e l'applicazione dei prodotti elettronici.
5- Test e Verifica
Per la verifica dei test di follow-up, si rimanda a: 03-Decifrare il controller di dominio automobilistico di Qualcomm di livello 1
[Riflesso]
1.LM25149-Q1:ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E: https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
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