הפיתוח המהיר של תעשיית כלי הרכב החדישה דחף צמיחה אקספוננציאלית בכל השרשראות התעשייתיות הרלוונטיות. תחכום רכב והנעה אוטונומית הפכו לכיווני היתרון התחרותי החשובים ביותר עבור כלי רכב חשמליים, ומביאים עימם אתגרים והזדמנויות חדשים למוח מרכזי משולב במיוחד ולבקרי תחום, במיוחד במונחים של אמינות, צפיפות הספק גבוהה, EMC של ספק כוח מפסק, יעילות גבוהה ויחס מחיר-ביצועים מעולה בספק כוח DC-DC.
Qualcomm, כספק של בקרים תחומיים למדור נהיגה אינטיליגנטי, תופסת עמדה משמעותית עם ה-SA8155 וה-SA8295. הסכסוכים בין זרם מעבר, זרם פעילות יציב, יעילות צריכת חשמל במצב המתנה, עלות ועיצוב EMC של מפסק ספק כוח (SMPS) לכוח הראשי של SOC של הבקר התחום המרכזי (כוח מכניסת סוללה להמרה ראשונית) הופכים לקושי גדול בעיצוב ספק כוח BUCK. כיצד לפתור ולשנות את שיווי המשקל הזה הוא הכיוון הטכנולוגי שבו ארכיטקטורת ספק כוח ממותג, שבבי כוח, катушки, טרנזיסטורים MOSFET וקבלים פועלים יחד.
מאמר זה משלב בין עיצובו של המספק הראשי למרכז בקרת התחום ליישומי רכב עם זרם דינמי גדול בספק כוח ממותג (100-300%), ומדון בעיצוב ספקי כוח ממותגים מסוג DC-DC, כולל פתרונות ספק כוח, ושיטות לבחירת סליל וקבלים. המאמר يناח על העיצוב הפרקטי תוך התמודדות עם אתגרים בנפח, עלות, יעילות וביצועים.
המאמר הזה משתמש במעבד התחום SA8295 של קואלקום כדוגמה כדי לחקור ולממש את העיצוב הפרקטי של ספק הכוח הראשי מסוג BUCK.
סדרת מאמרים זו כוללת שלושה חלקים (לעדכון מתמשך):
01- פענוח עיצוב הספק הראשי של מעבד תחום הרכב של קואלקום: עיצוב וחישוב ספק כוח (פרק זה)
02- פענוח עיצוב ספק כוח שלב ראשון של בקר תחום לרכב של קולקומ: עיצוב דיאגרמה ועיצוב PCB
03- פענוח עיצוב הספק רמה 1 של מעבד תחום הרכב של קואלקום: ניתוח מדידת בדיקת ביצועים
1- מטרות ואתגרים בעיצוב
1.1 דרישות זרם חשמלי משתנה ל-SA8295
טבלה 1: דרישות עיצוב הספק של SA8295
1.2 דרישות הזרם בשקט של SA8295
צריכת ההספק במоде המתנה עבור SOC של Qualcomm היא 4-7.5mA (כולל צריכת זכרון באוטומטי), עם תמיכה בהעירה ממצב השינה.
מוח מרכזי (בקרת דומיין קבינת) תקציב זרם כולל של כלי רכב 7-10mA (13.5V), מודול 4G/5G צורך 4-5mA בלבד, זרם Qualcomm SA8295 ב-13.5V הוא 3mA (40mW) או פחות.
1.3 שלושה אתגרים
1.3.1 אתגר 1: מפסק זרם של בקרת הדומיין Qualcomm SA8295
זרם מעבר גדול, 3.3V, 18 אמפר (0.1ms), 0.1ms הוא כבר תקופה ארוכה של תפוקה יציבה למפסק זרם DC-DC, דרישה לעיצוב של buck ליצירת תפוקה יציבה של 18 אמפר.
1.3.2 אתגר 2: דינמיקה של מפסק זרם איכותי גבוה ב- SA8295
הזרם העבדי היציב של בקרת הדומיין SA8295 הוא 5-9 אמפר, מה שיגרום להפרש זרם עבודה יציב של יותר מ-300% בסליל של המפסק זרם (השראות נמצאת ביחס הפוך לזרם הנקוב) מבחינת נפח, עלות ותדירות, ויגרם לסתירות משמעותיות.
1.3.3 אתגר 3: יעילות מיקרו-אנרגיה של מפסק זרם איכותי גבוה ב-SA8295
צריכת חשמל במצבスタンבי, עם יעילות של 70% ב-13.5V ו-3mA, יוצרת אתגר גדול בפני תכנון הארכיטפסיה של בקרת אספקת חשמל ובפני בחירת העכבר.
תכנון זה מבוסס על אתגר תכנון אספקת חשמל buck ראשית מירבית של SA8295, וחוקן את הקשיים המרכזיים של פתרונות טכנולוגיית ספק כח ממותגים ו-DC-DC.
2- השוואת בחירת פתרונות
2.1 דרישות טכניות לאספקת חשמל במעבדת SA8295 של קואלקום
כמו שמוצג בטבלה 2:
טבלה 2: דרישות טכניות של תכנון אספקת חשמל של Qualcomm SA8295
2.2 תכנון פתרון ומסמכים טכניים
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, ועוד, יכולים ל cumplfill את הדרישות של התכנון. התכנון הזה בוחר LM25149-Q1 כתכנון אספקת חשמל ראשית למנהל תחום מוח מרכזי בפרויקט זה.
2.2.1 כתובת רשמית של LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
טבלה 3: חומרי התייחסות לעיצוב LM25149-Q1
2.2.2 גיליון مواصفات של LM25149-Q1:
2.2.3 לוח פיתוח LM25149-Q1:
מדריך משתמש EVM (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 יציבות ויכולת של מסנן פעיל:
כיצד להבטיח יציבות ביצועים של מסנני EMI פעילים (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 כלים לעיצוב :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC כלי חישוב | TI.com
3- עיצוב וחישוב של אספקת חשמל BUCK סינכרונית
3.1 מפרטים מרכזיים ופרמטרים עיצוביים של LM25149
טבלה 4: דרישות טכניות של תכנון אספקת חשמל של Qualcomm SA8295
יעילות
מסננים פעילים למניעת התנגדות אלקטרומגנטית
בדיקת התנגדות אלקטרומגנטית
תרשים עיצוב ייחוס
פלטת הערכה לפתרון עיצוב ייחוס
3.2 LM25149 חישוב בחירת סליל לממיר Synchronous BUCK
3.2.1 נוסחת חישוב של מרתכין המספק הספק מתמיד:
טבלה 5: נוסחאות חישוב עיצוב ספק כוח BUCK סינכרוני
3.3 חישוב 최ט막-inductor מינימלי
(נוסחת חישוב, ראה טבלה 5.)
טבלה 6: תרשים עקומות חישוב אינדוקציה מינימלית (∆I=0.3)
טבלה 7: חישוב השראות מינימלית
3.3.1 סיכום נתוני חישוב אינדוקציה:
① אם העיצוב כולל טווח של 6-20A (חישוב AI=0.3), עם קלט של 16V ופלט של 6A, האינדוקציה אמורה להיות ≥0.69μH.
② חישוב תיאורטי של מיתוג מקור השראה Lmin: ≥ 0.69μH (תאורטי);
③ בהתחשב בעיצוב הנבחר ובסובלנות של האינדוקטור ±20%, יש לבחור 0.82μH ו-1.0μH כעיצוב אופטימלי (הגדלת ערך אינדוקציה מגדילה את גודל האינדוקטור, עלות ומקטינה SRF).
3.4 חישובי זרם אינדוקטור
(נוסחה: ראה טבלאות 5, פריטים 1 ו-2)
טבלה 8: חישוב זרם השנאי 0.82μH
טבלה 9: חישוב זרם השנאי 1.0μH
3.4.1 זרם רוויה תיאורטי של אינדוקציה ≥ 20.76A, עיגול ל-21A:
טבלה 10: דרישות סליל השראה
4- בחירת סליל השראה למקור כוח ממותג
טבלה 11: בחירת סליל
4.1 חישוב הנגד לדגימת זרם במקור כוח ממותג עבור LM25149
טבלה 12: חישוב תיאורטי של נגד לדגימת זרם
טבלה 13: בחירת נגד לדגימת זרם
4.2 חישוב קבל פלט עבור מקור כוח ממותג BUCK סינכרוני
(חישוב קבל פלט: ראה משוואה בטבלה 5)
טabela 14: חישוב קבל פלט עבור מקור כוח ממותג BUCK סינכרוני
בעיצובי ספק כוח ממותגים סינכרוני buck, קיים ויתור בין הביצועים, הגודל והעלות של קבלי המסנן לכניסה וליציאה. בדיקת مواصفות הקבלים מתבצעת בתנאים מסוימים, ושינויים בהתקנים במהלך הבדיקה עלולים להוביל להבדלים של 10–50% עבור مواصفות זהות. הביצועים הסופיים של העיצוב דורשים אימות מדעי ובדיקות בתהליך הדיבאג (אין פתרון אחד אופטימלי; רק בחירה בסכימה המתאימה ליישום הספציפי).
קבלים ממתגים חייבים לעמוד בדרישה: קיבול ≥ 320uF (דרישת overshoot), קיבול קבל קרמי גדול יותר מ-2.435uF (אינו תנאי עיקרי, מספיקה התאמה לדרישה).
טבלה 15: בחירה מומלצת של דגמי קבלי מסנן פלט לספק כוח ממותג
טבלה 16: עיצוב קבלי מסנן פלט לספקים ממותגים
4.3 חישוב קבל כניסה לספק הכוח LM25149
4.3.1 חישוב קיבול הקטע
טבלה 17: חישוב קבל סינון קלט לספק כוח ממתג
טבלה 18: בחירת מסנני פלט לספק כוח ממתג
4.4 LM25149 חישוב בחירת טרנזיסטור Mosfet
4.4.1 חישוב MOSFET
גליון הנתונים של LM25149 אינו כולל הרבה חישובים וחישובי בחירה. חישובי QG ובחירות מבוססים על הערכות אמפיריות והסקה הפוכה. תוצאות החישוב מצביעות על ערך של 4.5-5.0V Vgs ו-≤22nC. תהליך החישוב מוצג בטבלה להלן. פלטפורמת מילר נבחרת כ-2-3V (קרובה ל-3V גם כן מקובלת), ו-Rdson נבחר כ-≤8mΩ.
טבלה 19: בחירת Mosfet וחישובים
4.5 המלצות לבחירת Mosfet
טבלה 20: מודלי בחירת Mosfet
4.6 LM25149 FB וחישובים לתיקון
טבלה 21: חישובים של FB והפצה
4.7 חישוב עיצוב EMC של LM25149
מבלי להיכנס להרבה אנליזה, יש לעיין בדפים הטכניים.
5- סיכום העיצוב
5.1 סיכום עיצוב ובחירה של ספק כוח BUCK של LM25149
טבלה 22: עיצוב ובחר
5.2 סיכום הפתרון
הביצוע והיעילות של ספקי כוח מתחומים סינקוניים מושפעים על ידי גורמים רבים. ביצועים וمواصفות יש לשקול גורמים פרקטיים. פרק זה משמש לחישובים תיאורטיים על מנת לספק הנחת תיאורטית לעיצוב פרקטי. הביצועים והمواصفות של העיצוב קשורים בצורה הדוקה לביצוע של רכיבים, תנאים של שימוש, תכנון, ועוד, ודורשים בדיקות ואימות קפדניות.
עיצוב ספק כוח buck סינכרוני לשלטים מרכזיים של Qualcomm הוא תחום מאתגר בעיצוב בקר, ודורש איזון בין ביצועים, גודל ועלות. CODACA מתמקדת במחקר ופיתוח עצמאי של שראות הספקה ושראות מode משותף. ה-CSEB0660-1R0M מתאים לפיתוח ויישומים של פלטפורמת Qualcomm, ומציע יעילות עלות גבוהה, עמידות חזקה לשיפוע זרם, יצור חום נמוך ויחס עוצמה-לנפח מוביל בתעשייה. CODACA מחויבת למחקר ופיתוח טכנולוגי ולחדשנות, ופותחת מוצרים מצטיינים לתעשיית השראות, ותורמת לפיתוח ויישום של מוצרים אלקטרוניים.
EN