ההתפתחות המהירה של תעשיית רכבי האנרגיה החדשה הובילה לצמיחה מתפרצת של כל שרשרת תעשייה. בינה לרכב ונהיגה אוטונומית הפכה לתחרותיות הליבה החשובה ביותר של רכבי אנרגיה חדשים. שילוב של מוח מרכזי ובקר תחום מביא אתגרים והזדמנויות חדשים, במיוחד מבחינת אמינות ספקי כוח ממותגים DC-DC, צפיפות הספק גבוהה, EMC, יעילות גבוהה וחסכונית.
Qualcomm, כספק של מנהל תחום קוקפיט אינטיליגנטי, SA8155 ו-SA8295 תופסים מקום חשוב, רמת SOC שליטה מרכזית באספקת חשמל רמה 1 (חשמל המומר מרמת הכניסה של הסוללה רמה 1) זרם זמני, זרם פעילות יציב, יעילות ברזerve, עלות, הסתירה בעיצוב EMC של ספק כוח מתחלף הפכה לאתגר עצום בעיצוב ספק BUCK. כיצד פותרים ומאזנים את הסתירות האלה הוא הכיוון הטכנולוגי לאדריכלות ספק כוח מתחלף, ship zanod, סליל, Mosfet, קבל יחד.
המאמר הזה משלב בין תכן ספק כוח מתמתק עם זרם דינמי גדול (100-300%) לתכן ספקי כוח ברמת שליטה מרכזית אוטומotive, כדי לבחון את תכנון ספק הכוח המתמתק DC-DC, כולל בחירת סכמת ספק, סליל, קבל ועוד שיטות תכנון; תוך התחשבות בנפח, עלות, יעילות, ביצועים ואתגרים פרקטיים לתכנון יישומי.
מסמך זה חוקר ומבצע יישום של עיצוב מציאותי של ספק כוח מתחלף מסוג BUCK חד-שלבי תוך שימוש ב Qualcomm SA8295 domain controller כדוגמה.
סדרת מאמרים זו כוללת שלושה פרקים (יתעדכנו בהמשך):
01- פענוח עיצוב ספק החשמל רמה 1 של Qualcomm Automotive Domain Controller: עיצוב וחישוב ספק החשמל (פרק זה)
02- פתרון סרבל Qualcomm Automotive Domain Controller רמת 1 עיצוב אספקת כוח: עיצוב סכמטי ועיצוב PCB
03- פתרון סרבל Qualcomm Automotive Domain Controller רמת 1 עיצוב אספקת כוח: ניתוח מדידות בדיקת ביצועים
1- מטרות ואתגרים בעיצוב
1.1 דרישות הזרם הזמני של SA8295
טבלה 1: דרישות עיצוב אספקת הכוח 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.
המוח המרכזי (בקרת cockpit) תקציב הזרם הכולל של הרכב הוא 7-10mA (13.5V), alone alone 4-5mA, Qualcomm SA8295 current 13.5V 3mA (40mW) בתוך.
1.3 שלושה אתגרים
1.3.1 אתגר 1: ייצור זרם פלט במנחת הספק של SA8295 בקרת תחום Qualcomm
זרם זמני גדול, 3.3V, 18 אמפר (0.1 מילישנייה), 0.1 מילישנייה עבור ספק כוח מתłącz DC-DC כבר שייך לפלט מצב יציב ממושך, יש לעצב ספק כוח Buck בהתאם לתכנון היציב של 18 אמפר.
1.3.2 אתגרי זרם גבוה דינמיים בספק כוח מתłącz SA8295 של דומיין Qualcomm 2:
הזרם הרציף של דומיין Qualcomm בSA8295 בזמן פעולה רגילה נע בין 5-9 אמפר, מה שיגרום לאינדוקטנטיות בספק הכח המתלכד (הפוך ביחס לגודל הבחירה של הזרם הרציף הגדול יותר ב-300%), קיימת סתירה גדולה בין נפח, עלות ותדירות.
1.3.3 אתגרים של יעילות מיקרו-כוח בספק כוח מתłącz SA8295 של דומיין Qualcomm 3:
צריכת כוח בשקט, יש לעמוד ביעילות של 70% ב-13.5V 3mA, זהו גם אתגר עצום בתכנון ארכיטקטורת בקרת כוח ובבחירת האינדוקטורים.
עיצוב זה מבוסס על עיצוב של אספקת הכוח הקשה ביותר SA8295 חד-מפלסית, במטרה לחקור את האתגרים המרכזיים בטכנולוגיות ספק כוח ממותגים ופתרונות DC-DC.
2- השוואת בחירת פתרונות
2.1 דרישות טכניות לאספקת חשמל במעבדת SA8295 של קואלקום
כמו שמוצג בטבלה 2:
טבלה 2: דרישות תכנון אספקת החשמל של מעבדת SA8295 של קואלקום
2.2 תכנון הפתרון ומידע טכני
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 ו-LM25149-Q1 יכולים לעמוד בדרישות העיצוב. בעיצוב זה, נבחר LM25149-Q1 כפתרון אספקת חשמל למפלס הראשון של בקרת המוח המרכזי הזה.
2.2.1 כתובת רשמית של LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
טבלה 3: הפניות לעיצוב LM25149-Q1
2.2.2 דף טכני (Datasheet) 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 לתכנון ספציפיות אספקת חשמל 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: משוואת חישוב עיצוב מרתכין מתמיד
3.4 חישוב השראות מינימלית
(לצורך נוסחאות, ראו טבלה 5.)
טבלה 6: גרף חישוב השראות מינימלית (∆I=0.3)
טבלה 7: חישוב השראות מינימלית
3.4.1 סיכום נתוני חישוב השראות:
① אם העיצוב כולל את התחום 6-20A (חישוב AI=0.3), קלט של 16V, פלט של 6A, השראה ≥ 0.69μH.
② חישוב תיאורטי של מיתוג מקור השראה Lmin: ≥ 0.69μH (תאורטי);
③ בהתחשב בעיצוב הנבחר בפועל ובסטיית השראה ±20%, יש לבחור 0.82μH ו-1.0μH כעיצוב האופטימלי (עם עלייה בערך ההשראה, גדלים נפח השראה, עלות, ירידה בתדר הרזוננס SRF).
3.5 חישובי זרם השנאי
(נוסחה: ראה טבלאות 1 ו-2 בטבלה 5)
טבלה 8: חישוב זרם השנאי 0.82μH
טבלה 9: חישוב זרם השנאי 1.0μH
3.5.1 חישוב תיאורטי של זרם הסטורציה של השנאי ≥ 20.76A, מעוגל ל-21A:
טבלה 10: מדדי השראות
4- בחירת סליל למקור הספק מתחלף
טבלה 11: בחירת סליל
4.1 LM25149 חישוב התנגדות דגימה של סליל מקור הספק מתחלף
טבלה 12: חישוב תיאורטי של התנגדות דגימה של סליל
טבלה 13: בחירת נגד דגימה השראי
4.2 חישוב קיבול היציאה של מיתקן סינכרוני BUCK מתחלף
(חישוב קיבול היציאה: ראה את הנוסחה בטבלה 5)
טבלה 14: חישוב קיבול היציאה של מיתקן סינכרוני BUCK מתחלף
בעיצוב של ספק כוח מפסקים סינכרוני BUCK, יש סתירה בביצועי הקבלים למסנן הכניסה והיציאה, הנפח והמחיר, מדד המפרט לקיבול נבדק בתנאים מסוימים, קיימת הבדל באופי הבדיקה והשימוש במדידה, אותו מדד יכול להראות הבדלים של 10-50%, לבסוף יש לבדוק את הביצועים בעבודת שטח מדעית ובבדיקות (אין פתרון אופטימלי לעיצוב, אלא בחירת פתרון המתאים לסצנה)
קבלים מתחלפים חייבים לעמוד בדרישות: קיבול ≥ 320uF (דרישת עודף), קיבול קבל חרסינה גדול מ-2.435uF (אינו תנאי עיקרי, אך אם כן – יש לעמוד בו)
טבלה 15: מודל מומלץ לבחירת קבל מסנן ליציאת ספק כוח מפסקים
טבלה 16: עיצוב קבל מסנן ליציאת ספק כוח מפסקים
4.3 חישוב קיבול הכניסה של ספק LM25149
4.3.1 חישוב קיבול הקטע
טבלה 17: חישוב קיבול מסנן הכניסה של ספקי כוח ממתגים
טבלה 18: בחירת מסנן היציאה של ספקי כוח ממתגים
4.4 LM25149 חישוב בחירת טרנזיסטור Mosfet
4.4.1 חישובים של Mosfet
גיליון المواصفות של LM25149 אינו מכיל הרבה חישובים ובחירת חישובים, חישוב QG והבָּחִיר על סמך הערכות אמפיריות אחורה, תוצאות החישוב בוחרות 4.5-5.0V Vgs, ≤ 22nC, תהליך החישוב מפנה לטבלה הבאה, בחר את פלטפורמת 밀ר ל-2-3V (אפשרי גם קרוב ל-3V), Rdson בחר ≤ 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 LM25149 תכנון EMC וחישובים
ללא ניתוח מעמיק מדי, פנה לspecification.
5- סיכום העיצוב
5.1 LM25149BUCK סיכום בחירת מעגל הכוח
טבלה 22: עיצוב ובחר
5.2 סיכום תוכנית
תפקודו ויעילותו של ספק כוח מפסק סינכרוני מושפעים ממספר רב של גורמים, יש לשקול את הגורמים המעשיים בתכונות ובמבחנים, הפרק הזה מיועד לחישובים תיאורטיים, הדרכה תיאורטית לעיצוב מעשי, תכנון התכונות והמבחנים קשורים בקשר הדוק לביצועי הרכיבים, תנאי השימוש, שילובpcb וכו', ויש צורך בבירוק ובאימות מדויקים.
עיצוב של ספק כוח buck סינכרוני עבור קולטני תחום גבוה הוא תחום טכנולוגי מאתגר בעיצוב בקר, דורש איזון בין ביצועים, נפח, עלות. Kodak Ka ממקדת מחקר ופיתוח עצמאי של שראלה, CSEB0660-1R0M מתאים להתפתחות והיישום של פלטפורמת העברת גבוה, בעל יחס עלות-תועלת גבוה, התנגדות חזקה לזרם רוויה, חום קטן ועוד יתרונות טכנולוגיים, עם יחס של עוצמה לנפח המוביל בתעשייה; Kodak Ka ממקדתה מחקר ופיתוח טכנולוגי, חדשנות טכנולוגית, פיתוח של מוצרים מובילים לתעשייה השראלית, במטרה לעזור בהתפתחות ויישום של מוצרים אלקטרוניים.
EN