Decodifica della progettazione dell'alimentatore di prima fase del controller di dominio automotive Qualcomm: progettazione dello schema elettrico e progettazione PCB

Lo sviluppo rapido del settore dei veicoli a nuova energia ha promosso la crescita esplosiva di varie catene industriali, e l'intelligenza automobilistica e la guida autonoma sono diventate le direzioni di competizione centrale più importanti per i veicoli elettrici, portando nuove sfide e opportunità al cervello centrale altamente integrato e ai controller di dominio, in particolare per quanto riguarda l'affidabilità, l'elevata densità di potenza, la compatibilità elettromagnetica (EMC), l'efficienza elevata e il rapporto qualità-prezzo degli alimentatori switching DC-DC.

Come fornitore di controller di dominio per cockpit intelligenti, SA8155 e SA8295 occupano una posizione importante, e la contraddizione tra corrente transitoria, corrente operativa stabile, efficienza in standby, costo e progettazione EMC dell'alimentatore primario del SOC di controllo centrale (alimentazione convertita dall'ingresso primario della batteria) è diventata una grande sfida per la progettazione dell'alimentatore BUCK. Come risolvere e bilanciare queste contraddizioni rappresenta la direzione tecnica verso cui lavorano insieme i produttori di architetture di alimentazione a commutazione, chip di alimentazione, induttori, MOSFET e condensatori.

Questo documento tratta la progettazione di un alimentatore switching DC-DC come alimentazione principale per il controllo centrale del dominio con grandi variazioni di carico dinamico (100-300%), inclusi lo schema di alimentazione, la selezione di induttori e condensatori e altri metodi di progettazione, considerando le sfide relative a dimensioni, costo, efficienza e prestazioni.

Questo capitolo prende come esempio il controller di dominio Qualcomm SA8295 per discutere e implementare la progettazione pratica di un alimentatore switching BUCK di prima fase.

Per comprendere questo capitolo è necessario aver letto la prima serie (teoria e calcoli dettagliati sugli alimentatori BUCK) e progettare in modo approfondito l'alimentatore BUCK basato su LM25149.

Questa serie di articoli si compone di tre serie (con aggiornamenti in corso):

01-Decodifica della progettazione dell'alimentatore di prima fase del controller di dominio automotive Qualcomm: progettazione e calcolo dell'alimentatore

02-Decodifica della progettazione dell'alimentazione di prima fase per il controller di dominio automotive Qualcomm: progettazione dello schema elettrico e progettazione PCB (questo capitolo)

03-Decodifica della progettazione dell'alimentazione primaria del controller di dominio automobilistico Qualcomm: analisi delle misurazioni dei test di prestazione

1- Obiettivi e Sfide del Progetto

1.1 Requisiti della Corrente Transitoria SA8295

Tabella 1: Requisiti del Progetto di Alimentazione SA8295

Nota: I requisiti di progettazione più recenti per SA8295 sono 21A (1 NPU) e 24A (2 NPUs), e questa progettazione può coprire (protezione contro le sovracorrenti di 30A)

1.2 Obiettivi di Progettazione

Questa progettazione utilizza un Alimentatore di prima classe per il controller del dominio LM25149 , che può soddisfare i requisiti di corrente transitoria di 24A (100us) e soddisfare i requisiti operativi in regime permanente superiori a 10A, al fine di ottenere un equilibrio completo tra volume, costo e prestazioni.

Nota: La corrente transitoria non provoca problemi di generazione di calore (per Qualcomm SA8295 solo corrente transitoria di 100us), mentre una corrente elevata in regime permanente provocherà un aumento dell'elevazione termica; l'effetto dell'elevazione termica deve essere misurato (la soluzione di progettazione viene selezionata in base alle effettive condizioni ambientali).

2 - Schema e progettazione PCB

2.1 Selezione dei componenti principali

I criteri per la selezione dei componenti principali dell'alimentatore di commutazione del controller di dominio: prestazioni innanzitutto, tenendo conto del costo e riducendo l'area del PCB; considerando il problema EMC e il problema della corrente in loop dell'alimentatore di commutazione BUCK, esso è conforme alla teoria e alle regole generali di progettazione degli alimentatori BUCK, e si può fare riferimento al metodo di progettazione generale.

Per dettagli sulla selezione e sul calcolo dei componenti elettronici, si prega di fare riferimento al Capitolo 1 ( Decodifica della progettazione dell'alimentatore di prima fase del controller di dominio automotive Qualcomm: progettazione e calcolo dell'alimentatore )

Opzione 2 per questa progettazione (utilizzando otto condensatori ceramici da 47uF confezionati C1210). La progettazione non è limitata a questa scelta, e la progettazione del prodotto può essere adattata in base alla situazione reale, e l'ottimizzazione può essere effettuata in base ai risultati dei test effettivi.

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

La selezione dell'induttore adotta il modello: VSEB0660-1R0MV

Tabella 4: Selezione dell'induttore

2.1.3 Selezione del condensatore di filtro di uscita per l'alimentatore BUCK

Tabella 5: Selezione del condensatore di filtro di uscita per l'alimentatore BUCK

2.1.4 Alimentatore BUCK - selezione dei condensatori del filtro di ingresso

Tabella 6: Alimentatore BUCK - selezione del condensatore del filtro di ingresso

2.2 Strumenti per la progettazione di schemi e PCB

2.2.1 Schema e progettazione PCB: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)

Figura 1 Introduzione a Caritron EDA

JLC Technology EDA è lo strumento di sviluppo EDA gratuito leader in Cina, con funzionalità potenti e alta efficienza di sviluppo; questa progettazione adotta lo schema e il PCB realizzati con JLC Technology EDA.

2.3 Alimentazione BUCK - Progettazione dello schema elettrico

2.3.1 Alimentazione BUCK - Progettazione dello schema elettrico

La progettazione del principio si basa sulla specifica LM25149-Q1 e sulla scheda di sviluppo ufficiale, e il progetto soddisfa la teoria fondamentale degli alimentatori switching BUCK e i requisiti di progettazione dell'alimentazione primaria per i controller di dominio ad alta velocità.

Figura 2 Schema elettrico del LM25149

2.3.2 Alimentatore BUCK - tecnologie chiave nella progettazione dello schema

Circuito EMC di ingresso：

Punti tecnici:

① La funzione principale di L1 è ridurre l'impatto del rumore condotto e irradiato dell'alimentatore a commutazione sull'alimentazione in ingresso; la frequenza di commutazione dell'alimentatore a commutazione è di 2,2 MHz, L1 e C23 formano un circuito filtro LC (C16 è il condensatore elettrolitico, principalmente per basse frequenze al di sotto di 500 kHz), e a 2,2 MHz la riduzione è di 60 dB.

② C21 riduce il rumore di commutazione (ringing ai fronti di salita e discesa del tubo di alimentazione), principalmente attenuando il rumore EMC compreso tra 10 e 100 MHz.

③ Se C21 e C23 vengono utilizzati in alimentatori di primo grado (prima della protezione), è necessario scegliere il modello di condensatore con terminale flessibile; se invece è presente una protezione, si può scegliere un condensatore di grado automobilistico. Un meccanismo di protezione simile può essere implementato anche mediante un layout con due condensatori in serie.

Sono richiesti gli stessi requisiti per i MOSFET di potenza e per i condensatori di disaccoppiamento degli ingressi dei condensatori LM25149; questa progettazione non viene utilizzata per la verifica delle prestazioni, si utilizza un singolo condensatore ceramico e la progettazione a livello di prodotto segue i requisiti di progettazione automobilistici.

Nota: La cancellazione attiva EMC e la tecnologia a doppio spettro di frequenza casuale di LM25419 riducono l'ampiezza EMC solo fino a un certo punto, ma l'EMC non può essere eliminata completamente; per la frequenza di commutazione di 2,2 MHz e l'energia correlata, nelle applicazioni con corrente elevata (≥10 A) sussiste comunque il rischio di superare lo standard. Prevale la messa a punto effettiva; se dopo la rimozione di C23 è comunque possibile superare i test di emissione condotta, si può evitare l'uso di C23 riducendo così il costo.

Condensatori di ingresso per alimentazione BUCK:

① C2, C3 sono condensatori di ingresso per l'alimentazione BUCK, fondamentali per le prestazioni EMC dell'alimentatore a commutazione. Per i condensatori da 10 µF, scegliere un'impedenza intorno ai 2 MHz ≤5 mΩ. I modelli CGA4J1X8L1A106K125AC e CGA6P1X7S1A476M250AC presentano buoni parametri tecnici come riferimento. Nella scelta del condensatore si può optare per dielettrico X7R, tensione di tenuta 35 V/50 V; i package C1210 e C1206 sono disponibili. In questo progetto è stato selezionato il package C1210, che consente una vasta verifica delle prestazioni dei modelli.

② C4 è un condensatore EMC per alte frequenze di commutazione; scegliere X7R da 50 V, package C0402.

Per C2, C3, C4, nel layout bisogna prestare attenzione al loop della corrente (vedere i dettagli nel Layout), soddisfacendo i requisiti fondamentali della capacità di ingresso BUCK e la teoria di progettazione. Si consiglia di approfondire la teoria degli alimentatori switching BUCK per migliorare la comprensione del ruolo del condensatore di ingresso.

③ TP7, TP9, TP13 sono utilizzati per testare i segnali TG, BG e SW dell'interruttore e per verificare la correttezza del tempo di zona morta, delle prestazioni di risonanza e delle caratteristiche di salita e discesa del MOSFET, che costituisce un importante indice di prestazione elettrica dell'alimentatore a commutazione.

Il punto di test TP di GND è utilizzato per ridurre il loop di massa del misuratore di oscilloscopio e migliorare la precisione della misurazione; nel layout occorre prevedere il posizionamento del punto di test il più vicino possibile al segnale di test pertinente.

Resistore di pilotaggio della porta MOSFET:

① R1 e R2 sono le resistenze di pilotaggio della porta del MOSFET, che hanno un impatto significativo sui fronti di salita e discesa del MOSFET di potenza.

② La scelta di R1 e R2 è influenzata da una combinazione di fattori legati alla corrente di uscita del controller di potenza BUCK controllato (controller (resistenza PULL e PUSH), impedenza di gate e caratteristiche di carica del MOSFET di potenza (capacità di ingresso CISS), e la resistenza totale dell'intero circuito viene inizialmente selezionata ≤ 10 ohm, il che dipende anche dalle caratteristiche di carica, richiedendo un'affinatura per selezionare il valore di resistenza appropriato.

③ R1 e R2 sono anche i parametri chiave che influenzano maggiormente il rumore EMC durante l'interruttore e i fattori circuitali principali che influiscono sulle perdite di commutazione.

Nota: vengono utilizzati 6 punti di test per verificare le caratteristiche di commutazione e il tempo morto.

Loop di potenza d'uscita:

① Selezione dell'induttore: la selezione dell'induttore considera principalmente due fattori:

- Corrente operativa transitoria: in grado di erogare temporaneamente 24A (tempo: 100 μs);

- Corrente operativa in regime stazionario: 10A, in grado di funzionare stabilmente a una corrente di 10A (coprendo condizioni di temperatura ambiente fino a 85℃);

la durata della corrente operativa transitoria è ≤ 100 µs e si verifica durante la fase di avvio; solo garantendo che l'induttanza non sia saturata si possono soddisfare i requisiti (mantenendo il valore di induttanza alla corrente prevista).

② Selezione della resistenza di campionamento: la resistenza di campionamento è selezionata nel package R1206, con potenza di dissipazione termica ≥ 0,5 W;

③ Selezione dei condensatori: fare riferimento al capitolo sui condensatori di filtro d'uscita nella prima parte del capitolo;

Circuito di retroazione:

LM25149 dispone di configurazione a uscita fissa e configurazione con retroazione in uscita; il contenuto dettagliato è riportato nel datasheet;

① R14l collegato a VDDA, fornisce 3,3V

② R14=24,9K, fornisce 5,0V

③ R14=49,9K, fornisce 12,0V

La tensione di uscita è configurata con R14, R9 e R10 sullo sticker vuoto;

R19 e i punti riservati TP3, TP4: utilizzati per testare margine di fase, frequenza di attraversamento, ecc.

Nota: TP3 e TP4 sono utilizzati per misurare il margine di fase, la frequenza di attraversamento, ecc.

Impostazioni funzionali:

① EN: segnale di abilitazione, accensione dell'alimentazione ≥ 1,0 V, può essere protetto da sottotensione di precisione;

② Sync-PG: uscita sincrona o Power Good; in questo progetto è configurato come Power Good;

③ PFM/SYNC

-Jumper predefinito (NC): diodo analogico, uscita a bassa corrente, può funzionare con alta efficienza;

-Jumper in cortocircuito verso massa, modalità CCM forzata;

④ Impostazione della modalità di funzionamento del chip: un totale di 5 modalità operative (vedere il manuale delle specifiche);

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 - tecnologia chiave per la progettazione PCB

Anelli dei condensatori di ingresso e uscita:

① I condensatori di ingresso e uscita dell'alimentazione BUCK devono mantenere un anello minimo, il che ha un impatto importante sull'EMC;

② C4 è utilizzato principalmente per assorbire il rumore di risonanza dei fronti di salita e discesa dell'interruttore;

Anelli dei MOSFET e dell'induttore:

① L'uso di MOSFET integrati riduce l'area occupata dal layout e i costi; lo svantaggio è che il Layout SW non può mantenere l'anello minimo;

② Il punto SW del MOSFET 2-in-1 non può realizzare una tracciatura PCB nello stesso strato, ed è necessario cambiare strato per garantire la continuità della corrente di potenza.

Corrente di campionamento:

① La corrente di campionamento deve essere costituita da tracce differenziali, ed è necessario un piano di riferimento GND;

② Non è necessario controllare l'impedenza né l'uguaglianza delle lunghezze, e le tracce devono mantenere la spaziatura minima prevista per il layout.

Feedback FB:

Resistenze e altri componenti devono essere posizionati vicino ai piedini del regolatore.

Dissipazione del calore e GND:

Dispositivi di riscaldamento: MOSFET, induttori e resistori di campionamento possono opportunamente aumentare la conduzione termica nell'area del piano, e l'aumento dei via GND può contribuire a migliorare le condizioni di dissipazione termica dell'intera scheda.

progettazione dell'alimentatore BUCK di primo livello a controllo di dominio - riassunto

3.1 Disegno 3D

figura 3D-1

figura 3D-2

3.2 Sintesi del Design

① La progettazione dell'alimentatore a commutazione adotta una struttura a 4 strati, spessore della PCB di 1,6 mm, dimensioni 30x65 mm;

② La corrente in uscita può soddisfare la corrente transitoria massima del Qualcomm SA8295 di 24 A e supporta una capacità di uscita in regime permanente superiore a 10 A.

4- Informazioni su Codaca Elettronica

Codaca si concentra sulla ricerca e sviluppo indipendente, progettazione e produzione di induttori, e il modello VSEB0660-1R0M è adatto allo sviluppo e all'applicazione delle piattaforme Qualcomm. Offre vantaggi tecnici come elevata rapporto qualità-prezzo, elevata capacità di anti-saturazione della corrente e ridotta generazione di calore, oltre a un rapporto potenza-volume leader nel settore. Codaca punta sulla ricerca e sviluppo tecnologico, sull'innovazione tecnologica, sviluppando prodotti eccellenti per l'industria degli induttori e contribuendo allo sviluppo e all'applicazione dei prodotti elettronici.

5- Test e Verifica

Per i successivi test e verifiche, fare riferimento a: 03- Decodifica della progettazione dell'alimentazione primaria del controller di dominio automobilistico Qualcomm: analisi delle misurazioni dei test di prestazione .

[Riflesso]

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

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