פער ההבנה בעיצוב ספק כוח רמת 1 של בקרת תחום רכבית של Qualcomm: תרשיס ובקרת PCB

ההתפתחות המהירה של תעשיית כלי רכב לאנרגיה חדשה הובילה לצמיחה אקספוננציאלית בכל שרשרת התעשייה, הרובוטיקה automobile והנהיגה האוטונומית הפכו למרכזי התחרותיות החזקים ביותר בכיוון של כלי רכב לאנרגיה חדשה, למוח המרכזי המאוחד והבקרת תחומים מביאים אתגרים ו הזדמנויות חדשות, במיוחד ביחס לדי-סי די-סי מחליף ספק כוח, צפיפות הספק גבוהה, EMC של ספק כוח מתחלף, יעילות גבוהה, עלות-תועלת טובה מביאה הזדמנויות ואתגרים חדשים.

Qualcomm, כספק של בקרת תחום המושב האינטיליגנטי, SA8155 ו-SA8295 תופסים מקום חשוב, אספקת הכוח SOC של פיקוד מרכזיות רמה 1 (אספקת חשמל המומרת מקצב הסוללה) זרם רגעי, זרם פעולה יציב, יעילות פעולה בשקט, עלות וההתנגשות בעיצוב EMC של מפסק ספק כוח הפכה למלאכת ענק לעיצוב ספק כוח BUCK. כיצד לפתר את ההתנגשויות הללו ולשקול ביניהן היא הכיוון הטכנולוגי בו יעבדו יחד צמד קשת ספק כוח, שבבי כוח, סליליות, Mosfet, יצרני קבלים.

במאמר זה, עבור עיצוב ספק כוח מרכזי רמת דומן אוטומotive עם זרם מתחלף דינמי גדול (100-300%), נבחן את תכנון ספק הכוח המתחלף מסוג DC-DC, כולל בחירת סכמת ספק כוח, סליל, קבל ושיטות עיצוב נוספות תוך התחשבות בנפח, עלות, יעילות, ביצועים, ואתגרים בעיצוב יישומי.

בהשתמש בקונטרולר Qualcomm SA8295 דוגמה לדומן, הפרק הזה דן ומביא ליישום עיצוב מציאותי של ספק כוח מתחלף ראשי מסוג BUCK.

לפרק זה נדרש הבנה מקיפה של החלק הראשון בסדרה (המסביר את תורת החישובים של ספק כוח מתחלף מסוג BUCK), וכן נמשיך לעצב ספק כוח BUCK מפורט המבוסס על LM25149.

סדרת מאמרים זו כוללת שלושה חלקים (עדכונים עוקבים בהמשך):

01-פער.Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculation (Published)

02-פער בדקר Qualcomm Automotive Domain Controller רמת 1 עיצוב ספק כוח: תרש עקומות ועיצוב PCB (הפרק הזה )

03-פער בדקר Qualcomm Automotive Domain Controller רמת 1 עיצוב ספק כוח: ניתוח מדידת בדיקת ביצועים (יתפרסם בהמשך)

1- מטרות ואתגרי עיצוב

1.1 דרישות הזרם הזמני של SA8295

טבלה 1: דרישות עיצוב אספקת הכוח של SA8295

הערה: עיצוב חדש ביותר של SA8295 דורש 21A (1 NPU) ו-24A (2 NPUs), שאותם העיצוב הזה יכול לכסות ( הגנה מפני זרם יתר של 30A)

1.2 מטרות עיצוב

בעיצוב הזה נעשה שימוש ב- LM25149 לעיצוב הספק הראשי עבור בקרת הדומן , מסוגל לתמוך בזרם זמני של 24 אמפר (100 מיקרו-שניות) ועומד בדרישות הפעולה במצב יציב של מעל 10 אמפר, תוך השגת איזון בין גודל, עלות וביצועים.

הערה: זרם זמני אינו יוצר בעיה תרמלית (עבור Qualcomm SA8295, הזרם הזמני נמשך רק 100 מיקרו-שניות). עם זאת, זרם מצב יציב גבוה יכול להוביל לעלייה בטמפרטורה, ולכן יש להעריך את ההשפעה של הביצועים התרמיים (הפתרון העיצובי ישובה לפי תנאי הסביבה בפועל).

2- תרשיס ועיצוב PCB

2.1 בחירת רכיבים מרכזיים

קריטריונים לבחירת רכיבי ספקת מפסקים ברמת בקרת הדומיין: עדיפות לביצועים, תוך התחשבות בעלויות, והפחתת שטח ה-PCB; יש לשקול את נושאי EMC של ספקת מפסקים מסוג BUCK ואת נושא לולאת הזרם, בהתאם לתאוריה הכללית וכללי העיצוב של ספקות מפסקים מסוג BUCK, ניתן להתייעץ עם מתודולוגיות עיצוב סטנדרטיות.

ראה פרק 1 לפרטים על בחירת רכיבים אלקטרוניים וחישובים (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)

העיצוב הזה בוחר באפשרות 2 (שימוש בשמונה קבלים חשמליים של 47uF בעלי אריזת C1210). העיצוב אינו מוגבל לבחירה הזו, וניתן להתאים את עיצוב המוצר בהתאם למצב המודל בפועל, וכן לערוך אופטימיזציה של העיצוב בהתבסס על תוצאות מבחנים בפועל.

טבלה 2: מתח יורד - עיצוב פתרון

2.1.1 supply-MOSFET selection

טבלה 3: מתח יורד - בחירת טרנזיסטור MOSFET

2.1.2 supply - בחירת סליל

בחירת סליל באמצעות מספר דגם: VSEB0660-1R0MV

טבלה 4: בחירת סליל

2.1.3 supply - בחירת קבל פילטר במוצא

טבלה 5: מתח יורד - בחירת קבל סינון במוצא

2.1.4 בחירת קבל סינון בכניסה למקור הכוח BUCK

טבלה 6: מקור הכוח BUCK - בחירת קבל סינון בכניסה

2.2 עיצוב דיאגרמה ועיצוב PCB

2.2.1 עיצוב דיאגרמה ו-PCB: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)

איור 1 הסבר על Caritron EDA

Jialitron EDA הוא כלי פיתוח חינמי מוביל בתחום, בעל עוצמה ויעילות גבוהות. לצורך עיצוב הדיאגרמה וה-PCB בעיצוב זה נעשה שימוש ב-Jialitron EDA.

2.3 מקור הכוח BUCK - עיצוב דיאגרמה

2.3.1 מקור הכוח BUCK - עיצוב דיאגרמה

עיצוב הדיאגרמה נגזר מהדפסת הנתונים של LM25149-Q1 ומפת ת_BOARD הרשמית, העיצוב תואם לתאוריה הבסיסית של מקורות כוח מת commuters מסוג BUCK ולדרישות העיצוב של שלב ראשון של מקורות כוח בתכנוןคอนטרולר תחום גבוה.

איור 2 LM25149 דיאגרמה

2.3.2 אספקת חשמל - טכנולוגיה ממוקדת בעיצוב סכמטי

מעגלי EMC של הנמל הכניסי:

נקודות טכניות:

① תפקידו העיקרי של L1 הוא להפחית את ההשפעה של רעש קרינה של התובלת של אספקת החשמל המתחברת על אספקת החשמל ההובלת, אספקת החשמל המתחברת בתדר של 2.2MHz, L1 ו- C23 מורכב מקיצה סינון LC (C16 הוא

② C21 מקטין את רעש ההתחלפה (צליל קצוות צינור הכוח עולה ויורד) ובאופן מרכזי מקטין רעש EMC מ 10-100MHz.

③ C21, C23 אם מקור חשמל (לפני הגנה), אתה צריך לבחור את סוג הכבל הסופי הגמיש, אם זה מוגן, אתה יכול לבחור את הכבלים מפרט הרכב. ניתן גם להשתמש בשני מאחסנים בהסדרת אורטוגונלית סדרתית כדי להשיג מנגנון הגנה דומה.

עבור MOSFETs כוח ו- LM25149 קיבולת הכניסה קיבולת פינוי יש את אותן דרישות, עיצוב זה אינו משמש לאמתת ביצועים, השימוש בקירוב קרמיק אחד, תכנון ברמת המוצר כדי לעקוב אחר דרישות העיצוב ברמת הרכב

הערה: LM25419 פעיל EMC חיסול וטכנולוגיה ספקטרום הפצה אקראית כפול, רק במידה מסוימת כדי להפחית את אמפליטוד EMC, ולא יכול לחסל את EMC, עבור תדר החליפה של 2.2MHz הקשור לאנרגיה, זרם גבוה (≥ 10A) מעל היישום של

קפדנטורי הכוח של BUCK:

① C2,C3 עבור קיבול מתח הזרם של החזקה, חשוב לייצוב ביצועי EMC של ספקת הכוח המ prze/mce, בחירת הקיבול 10uF ברביעית 2Mhz קרוב להיגב ≤ 5mΩ, CGA4J1X8L1A106K125AC ו- CGA6P1X7S1A476M250AC מציגים مواصفות טכניות טובות להפניה, ניתן לבחור את הקיבול X7R, מתח נסיגה 35V/50V, האריזה C1210 ו-C1206 מתאימות. בעיצוב זה נבחרה האריזה C1210, מה שמאפשר לבדוק דגמים נוספים.

② C4 עבור קבל EMC למתגים בתדר גבוה, יש לבחור 50V X7R, אריזה C0402 מתאימה.

C2, C3, C4, במבנה יש להקפיד על לולאת הזרם (להפנות לפרטים במבנה), בהתאם לדרישות הבסיסיות והתיאוריה של קיבול מתח הכניסה של החזקה מסוג BUCK, מומלץ ללמוד את התאוריה של ספק כוח מתגים מסוג BUCK כדי להבין טוב יותר את הקיבול בכניסה.

③ TP7,TP9,TP13 משמשים לבדיקת מיתוג TG, BG ואותות SW, משמשים לבדיקת נימוקי זמן מת, ביצועי רינג, וביצועי ה-MOSFET בקצוות העלייה והירידה, מהווים מדד חשוב לביצועי כוח חשמלי של ספק כוח ממתגים.

נקודת הבדיקה (TP) של GND נועדה להפחית את לולאת הבדיקה באוסילוסקופ ולהגביר את דיוק הבדיקה, ולצורך כך יש לעצב את ה-LAYOUT קרוב ככל האפשר לנקודת הבדיקה הרלוונטית.

נגד נהיגה בגייט MOSFET:

① R1 ו-R2 הם נגדים של נהיגה בגייט ה-MOSFET, ויש להם השפעה חשובה על קצוות העלייה והירידה של ה-MOSFET.

② בחירת R1, R2 נשלטת על ידי הזרם ביציאת בקר הספק BUCK (בקר - התנגדויות PULL ו- PUSH), עכומת שער ה- MOSFET והמאפיינים של טעינה (קיבול קלט CISS) סיבות מורכבות המשפיעות על בחירת העכומים בסיכום כולל ≤ 10 אוהם, אך גם תלויה במאפייני טעינה, ולדרוש סופית איזון עדין לבחירת ערך התנגדות מתאים.

③ R1 ו-R2 הם גם הפרמטרים הקריטיים ביותר בזווית רעש המפסק EMC, וכן מושפעים מאובדן המפסק של מעגל הליבה, ביישומים מעשיים יש לאזן בין יעילות (חימום MOSFET) לבין סתירות EMC כדי להשיג נקודת איזון.

הערה: 6 נקודות בדיקה לבדיקת מאפייני המפסק וזמני מת.

לולאת הספק היציאה:

① בחירת השראות: בחירת השראות תלויה בשתי שיקולות עיקריות:

-זרם עבודה זמני: מסוגל לספק 21 (24) אמפר (משך הזמן: 100 מיקרו-שניות) transientally;

-זרם עבודה רגוע: 10A, מסוגל לעבוד בצורה יציבה בזרם של 10A (מכסה תנאים של טמפרטורת סביבה 85° צלזיוס);

-משך זרם transient ≤ 100 מיקרו-שניות, ומתרחש בשלב ההפעלה, אין צורך להבטיח כי האינדקטור לא מגיע לרוויה בתנאים אלו כדי לעמוד בדרישות (כדי לעמוד בערך האינדוקטיביות של הזרם).

② בחירת הנגד לדגימה: בחירת נגד R1206, הספק פיזור חום ≥ 0.5W;

③ בחירת הקבלים: עיון בפרק הראשון של הפרק העוסק בסינון קיבולי בפלט;

מעגל משוב:

ל-LM25149 יש תצורת פלט קבועה ותצורת פלט עם משוב, לעיון במסמך הטכני לפרטיו;

① R14l מחובר ל-VDDA, פלט 3.3V

② R14=24.9K, פלט 5.0V

③ R14=49.9K, פלט 12.0V

לא ממומש בלוח R14, R9 ו-R10 מוגדרים את מתח הפלט;

R19 ו-TP3, TP4 שמורים: לבדיקה, שולי מופע, תדר חוצץ, וכו'.

הערה: TP3 ו-TP4 משמשים לבדיקה, שולי מופע, תדר חוצץ, וכו'.

הגדרת פונקציה:

① EN: אות הפעלה, ≥1.0V מפעיל את הכוח, ניתן להשתמש להגנה מדויקת מפני מתח נמוך מדי;

② Sync-PG: סינכרון פלט או כוח טוב, העיצוב הזה משמש לכוח טוב;

③ PFM/SYNC

-גשר ברירת מחדל (NC): דיווד אנלוגי, תפוקת זרם נמוכה, יכול לפעול ביעילות גבוהה;

-קצר מתג קפיצה לאדמה, מחייב מצב CCM;

④ הגדרות מצב פעולת שבב: סך הכל חמישה מצבי פעולה (עיינו dalam הספציפיקציה)

2.4 מפתח זיזית BUCK - עיצוב PCB

2.4.1_SUPPLY חשמל BUCK - עיצוב PCB

① -חלק עליון

② -GND

③ -אות

④ -תחתית

2.4.2_SUPPLY חשמל BUCK - דגש טכנולוגי בעיצוב PCB

לולאות קיבול מתח כניסה ויציאה:

① קיבול מתח הכניסה והיציאה של supply חשמל מסוג BUCK חייב להישמר בלולאה מינימלית, מה שמושפע מאוד על EMC;

② C4 משמש בעיקר לספיגת רעש טבעתי בקצוות העלייה והירידה של המפסק.

לולאות טרנזיסטור MOSFET וסליל:

① שימוש ב-MOSFETים דו-ביחד מקטין את שטח הפריסה ו מוריד את העלות, אך החיסרון הוא שהפריסה SW לא יכולה לשמור על הלולאה המינימלית

② נקודת ה-SW של ה-MOSFET דו-ביחד אינה יכולה ליישם יישור באותו שכבה של PCB, והיא צריכה לשנות שכבה כדי לפרוס את המישור במטרה להשיג רציפות של זרם החשמל

מדידת זרם:

① מדידת הזרם מחייבת יישור דיפרנציאלי עם מישור GND ייחוס

② שליטה באימפדנס ושווה אורך אינן נדרשות, והיישור שומר על המרווח המינימלי של הפריסה

פידבק FB:

נגדים ואחרים מחוברים קרוב לפלטת השילט הבקרה

פיזור חום ו-GND:

רכיבים שמייצרים חום: טרנזיסטורים (MOSFETs), סליליות (inductors) ונגדים מדידים (sampling resistors), ניתן להגדיל באופן מתאימה את שטח הפלטפורמה כדי לוליך את החום, והוספת נקודות מגע עם הארקה (GND perforation) יכולה לעזור לשפר את תנאי הפיזור של החום בכל הגירסה.

עיצוב ספק כוח BUCK ברמה 1 בשלושה תחומים - סיכום

3.1 תרשים תלת-מימדי

דמות תלת-ממדית-1

דמות תלת-ממדית-2

3.2 סיכום העיצוב

① עיצוב nguồn הכוח הממתת מאמץ עיצוב בארבע שכבות בעובי PCB של 1.6 מ"מ וגודל של 30X65 מ"מ;

② הזרם היציאתי מסוגל לעמוד בדרישות Qualcomm SA8295 לזרם זמני מרבי של 24 אמפר, לתמוך ביציאת זרם במצב יציב של 10 אמפר או יותר.

4- על אודות Codaca אלקטרוניקה

Codaca מחויבת לפיתוח עצמאי, עיצוב ותהליך ייצור של סלילים, VSEB0660-1R0M מתאים לפיתוח ויישום בפלטפורמה של Qualcomm. יש לו יתרונות טכנולוגיים של יחס עלות-תועלת גבוה, התנגדות גבוהה לזרם רוויתי, ייצור חום נמוך, ויחס כוח-נפח מוביל בתעשייה. Codaca מחויבת לחקר טכנולוגיה, חדשנות טכנולוגית, ופיתוח מוצרים מצטיינים לתעשייה של סלילים, במטרה לסייע בפיתוח ויישום של מוצרים אלקטרוניים.

5- בדיקה ואישור

למידע נוסף לבדיקת אימות, אנא פנו אל: 03-Deciphering Qualcomm's Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Performance Test Measurement Analysis (תפורסם בקרוב)

[הפניה]

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

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