פענוח עיצוב ספק כוח שלב ראשון של בקר תחום לרכב של קולקומ: עיצוב דיאגרמה ועיצוב PCB

ההתפתחות המהירה של תעשיית כלי רכב בתפוצת אנרגיה חדשה דחפה את הצמיחה המתפרצת של שרשראות תעשייה שונות, והאינטיליגנציה האוטומotive והתמרון האוטונומי הפכו לכיוון המרכזי החשוב ביותר של התחרותיות הליבה של כלי רכב בתפוצת אנרגיה חדשה, מה שמביא אתגרים וחידושים חדשים למוח המרכזי המשולב בצורה גבוהה ובכוננים של תחומים, במיוחד עבור אמינות, צפיפות עוצמה גבוהה, EMC, יעילות גבוהה ויעילות עלות של ספקים חילופי DC-DC.

כספק של בקרים לדומיין של תא cockpit חכם, SA8155 ו-SA8295 תופסים עמדה חשובה, והסתירה בין זרם רגעי, זרם פעילות יציב, יעילות במצב המתנה, עלות ועיצוב EMC של מפסק כוח ל-SOC המרכזי (אספקת כוח המומרת מכניסה ראשונית של הסוללה) הפכה לאתגר עצום בעיצוב אספקת כוח BUCK. כיצד לפתור ולשנות את הסתירות הללו היא הכיוון הטכנולוגי של ארכיטקטורת אספקת כוח ממותגת, שבבי כוח, סלילים, MOSFETs ויצרני קondenסаторים שעובדים יחד.

מאמר זה דן בעיצוב אספקת כוח ממותגת DC-DC לעיצוב אספקת הכוח הראשונית לבקר תחום מרכזי של מפסק כוח דינמי גדול (100-300%), כולל סכמת כוח, בחירת סלילים, קondenסаторים ושיטות עיצוב אחרות, תוך לקיחה בחשבון של אתגרי ממד, עלות, יעילות וביצועים.

פרק זה מביא כדוגמה את בקר התחום Qualcomm SA8295 כדי לדון וליישם את העיצוב הפרקטי של ספק כוח מפסק BUCK מהרמה הראשונה.

לפרק זה יש לקרוא את הסדרה הראשונה (תיאוריה וחישוב מפורטים של ספק כוח מפסק BUCK) ולעצב בפירוט את ספק הכוח BUCK בהתבסס על LM25149.

סדרת המאמרים הזו מורכבת משלושה חלקים (עם עדכונים מתמשכים):

01-פענוח עיצוב ספק כוח שלב ראשון של בקר תחום לרכב של קולקומ: עיצוב ספק כוח וחישוב

02-פענוח עיצוב ספקי כוח ראשוניים לבקר תחום רכבתי של Qualcomm: ערכת חיבורים ועיצוב PCB (פרק זה)

03-פענוח עיצוב ספק כוח שלב ראשון של בקר תחום אוטומotive של Qualcomm: ניתוח מדידת בדיקת ביצועים

1- מטרות ואתגרי עיצוב

1.1 דרישות הזרם הזמני של SA8295

טבלה 1: דרישות עיצוב אספקת הכוח של SA8295

הערה: דרישות העיצוב העדכניות של SA8295 הן 21A (1 NPU) ו-24A (2 NPUs), ועיצוב זה יכול לכסות (הגנה מפני זרם יתר של 30A)

1.2 יעדי עיצוב

עיצוב זה משתמש ב LM25149 לעיצוב ספק כוח ראשון לבקר תחום , שיכול לעמוד בדרישות של זרם מעבר של 24A (100 마יקרושנייה) ולעמוד בדרישות הפעלה במצב יציב של יותר מ-10A, כדי להשיג איזון מקיף בין נפח, עלות וביצועים.

הערה: זרם זמני אינו גורם לבעיית ייצור חום (ל- Qualcomm SA8295 בלבד זרם זמני של 100 מיקרו שניות), זרם גדול במצב יציב יגרום לעלייה בשיעור העליה בטמפרטורה, ודרוש מדידה של השפעת העלייה בטמפרטורה (סכמה של עיצוב נבחרת בהתאם לתנאים הסביבתיים בפועל).

2- תרשיס ועיצוב PCB

2.1 בחירת רכיבים מרכזיים

הקריטריונים לבחירת רכיבי ספק כוח ראשיים בממשק בקרה מרכזי: ביצועים ראשונים, תוך לקיחה בחשבון של עלות וצמצום שטח ה-PCB; בהתחשב בבעיות EMC וב문חת הזרם של ספק כוח מתחלף BUCK, עיקרון זה תואם את תיאוריית העיצוב הכללית וכללי העיצוב של ספק כוח מתחלף BUCK, ואת שיטת העיצוב הכללית ניתן להיעזר בה.

למידע נוסף על בחירה וחישוב רכיבים אלקטרוניים, אנא ראה פרק 1 ( פענוח עיצוב ספק כוח שלב ראשון של בקר תחום לרכב של קולקומ: עיצוב ספק כוח וחישוב )

אפשרות 2 לעיצוב זה (השימוש בתמיסת חשמל קרמית שמונה של 47uF C1210). העיצוב אינו מוגבל לבחירה זו, וניתן להתאים את עיצוב המוצר לפי המצב בפועל, וכן לבצע אופטימיזציה של העיצוב בהתאם לתוצאות המבחן 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 השנאי משתמשת במודל: VSEB0660-1R0MV

טבלה 4: בחירת סליל

2.1.3 בחירת קבל הסינון ליציאת ספק כוח BUCK

טבלה 5: בחירת קבל הסינון ליציאת ספק כוח BUCK

2.1.4 ספק כוח BUCK - בחירת קondenסורים למסנן הקלט

טבלה 6: ספק כוח BUCK - בחירת קondenסורים למסנן הקלט

2.2 עיצוב דיאגרמה ועיצוב PCB

2.2.1 תרשים חיבור ועיצוב PCB: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)

איור 1 הסבר על Caritron EDA

JLC Technology EDA הוא כלי הפיתוח החינמי המוביל בסין, בעל פונקציות עוצמתיות ויעילות פיתוח גבוהה, בעיצוב זה נעשה שימוש ב-JLC Technology EDA לעיצוב תרשים חיבור ולעיצוב PCB.

2.3 מקור הכוח BUCK - עיצוב דיאגרמה

2.3.1 מקור הכוח BUCK - עיצוב דיאגרמה

עיצוב העיקרון מבוסס על המפרט של LM25149-Q1 ולוח הפיתוח הרשמי, והעיצוב עומד בתיאוריה הבסיסית של ספק כוח מתחמם BUCK ובדרישות התכנון של ספק הכוח הראשי של בקר תחומי גבוה.

איור 2 תרשים של LM25149

2.3.2 ספק כוח BUCK - טכנולוגיה עיקרית בעיצוב תרשים

מעגל EMC קלט:

נקודות טכניות:

① הפונקציה העיקרית של L1 היא להפחית את השפעת הרעש המוליך והמשודר מהספק הכוח המתחמם על ספק הכוח הקלט. תדר הפעימה של ספק הכוח המתחמם הוא 2.2MHz, L1 ו-C23 יוצרים מעגל מסנן LC (C16 הוא קבל חשמלי, בעיקר לתדרים נמוכים מתחת ל-500KHz), והפחתה של 2.2MHz ב-60dB.

② C21 מפחית רעש פעימה (رنינה בקצה העלייה והירידה של צינור הכוח), ובמיוחד מפחית רעש EMC בטווח 10-100MHz.

③ אם משתמשים ב-C21 וב-C23 בספק כוח מדרגה ראשונה (לפני הגנה), יש לבחור דגם קבל עם מסוף גמיש, ואם הוא מוגן, ניתן לבחור קבל דרגת רכב. ניתן ליישם מנגנון הגנה דומה גם באמצעות שני קבלים במבנה סדרתי.

אותם דרישות חלות על טרנזיסטורי ה-MOSFET לכוח ועל קondenסורים להפרדת מתח כניסה LM25149, אך העיצוב הזה לא בשימוש לצורך אימות ביצועים, משתמש בקרמיקה יחידה, ועיצוב רמת המוצר עוקב אחר דרישות העיצוב של דרגת רכב.

הערה: טכנולוגיית ביטול פעילה של LM25419 וטכנולוגיית ספקטרום מפוזר כפולה, רק עד רמה מסוימת מפחיתה את עוצמת ה-EMC, ולא ניתן למחוק לגמרי את ה-EMC. בתדר המפסק של 2.2MHz והאנרגיה הקשורה אליו, ביישומים של זרם גבוה (≥10A) עדיין קיים סיכון לעבור את התקן. יש להתחשב בתוצאות הסופיות של הדיבאג' בפועל. אם לאחר הסרת C23 עדיין אפשר לעבור את הקרינה המוליכה, ניתן לוותר על שימוש ב-C23 ולצמצם את העלות.

קפדנטורי הכוח של BUCK:

① C2 ו-C3 הם קondenסורים לכניסת מתח BUCK, אשר חשובים מאוד לביצועי ה-EMC של ספק כוח ממותג. בחרו קondenסורים של 10uF בעלי התנגדות סביב 2MHz ≤5mΩ. לדוגמה, המודלים CGA4J1X8L1A106K125AC ו-CGA6P1X7S1A476M250AC מציגים מדדי ביצועים טובים לשיקול. בבחירת הקondenסורים ניתן לבחור סוג X7R, מתח שביר 35V/50V, וגודל אריזה C1210 או C1206. בעיצוב זה נבחר גודל האריזה C1210, כדי לאפשר טווח רחב של אימות מודלים.

② C4 הוא קבל EMC מתחלף בתדר גבוה, יש לבחור 50V X7R, אריזת C0402.

C2, C3, C4, בפריסת ה-Layout יש להקפיד על לולאת הזרם (לפי הפרטים של Layout), לעמוד בדרישות הבסיסיות של קיבולי כניסה לכוח BUCK ובעקרונות העיצוב, ניתן ללמוד את תיאוריית ספק כוח מתחלף BUCK כדי להעמיק את ההבנה לגבי קבל הקלט.

③ TP7, TP9, TP13 משמשים לבדיקת האותות TG, BG ו-SW של המפסק, וכן לשם בדיקת סבירות זמן המת(dead zone time), ביצועי רינוג, וביצועי שיפורי עלייה ויורדים של ה-MOSFET, מה constitutes מדד חשוב לבדיקת ביצועים חשמליים של ספק כוח מתחלף.

נקודת מבחן TP של GND מיועדת לצמצם את לולאת ה-GND של אוסצילוסקופ במבחן ולשפר את דיוק המבחן, ובלayout יש לקחת בחשבון את מקומה של נקודת המבחן כמה שיותר קרוב לאות המבחן הרלוונטי.

נגד נהיגה בגייט MOSFET:

① R1 ו-R2 הם התנגדויות נהיגה של שער ה-MOSFET, שיש להן השפעה משמעותית על שיפורי העלייה והירידה של ה-MOSFET.

② בחירת R1 ו-R2 מושפעת מהסיבות המשולבות של זרם הפלט הנשלט של בקר הספק BUCK (בקר (התנגדות PULL ו-PUSH), עיכוב שער ומאפייני טעינה של ה-MOSFET הספק (קיבול קלט CISS), וההתנגדות הכוללת של כל ההתנגדות נבחרת ≤ 10 אום בעיצוב הראשוני, אשר גם תלוי במאפייני הטעינה, ודורשת כיול עדין לבחירת ערך התנגדות מתאים.

③ R1 ו-R2 הם גם הפרמטרים המרכזיים שמושפעים מרעשי סיבית EMC, והגורמים המעגלים המרכזיים שמושפעים מאבדות הסגירה.

הערה: 6 נקודות בדיקה משמשות לבדיקת מאפייני המפסק וזמן מת

לולאת הספק היציאה:

① בחירת катומטר: בחירת катומטר תלויה בשני גורמים עיקריים:

- זרם עבודה טרנזיטיבי: מסוגל לפלוט טרנזיטיבית 24A (זמן: 100 מיקרו-שניות);

- זרם עבודה במצב יציב: 10A, יכול לפעול בצורה יציבה בזרם של 10A (כולל תנאי טמפרטורת סביבה של 85 מעלות צלזיוס);

- משך הזרם הטרנזיטי הוא ≤ 100 מיקרו-שניות, והוא מתרחש בשלב ההפעלה, ובלבד שיתקבל המצב בו הסליל אינו רווי כדי לעמוד בדרישות (שמירה על ערך השראות של הזרם).

② בחירת הנגד למדידה: נבחר נגד בצרור R1206, עם הספק פיזור חום ≥ 0.5 וואט;

③ בחירת הקבלים: עיין: פרק קבל הסינון לפלט, בחלק הראשון של הפרק;

מעגל משוב:

ל-LM25149 יש תצורת פלט קבועה ותצורת פלט עם משוב, התוכן המפורט נמצא בספריית المواصفות;

① R14l מחובר ל-VDDA, פלט 3.3V

② R14=24.9K, פלט 5.0V

③ R14=49.9K, פלט 12.0V

מתח הפלט מוגדר באמצעות R14, R9 ו-R10 על מדבקת הריק;

R19 והנימים שמורים TP3, TP4: לשימוש בבדיקות, שולי מופע, תדירות חציה וכו'.

הערה: TP3 ו-TP4 משמשים לבדיקת שולי מופע, תדירות חציה וכו'.

הגדרות פונקציה:

① EN: אות הפעלה, הפעלת מתח ≥ 1.0V, ניתן להגנה באמצעות מתח מינימום מדויק;

② Sync-PG: פלט סינכרון או מצב 'Power good', בעיצוב זה נעשה שימוש במצב 'Power Good';

③ PFM/SYNC

-Default (NC) ג'אמפר: דיווד אנלוגי, פלט זרם קטן, יכול לפעול ביעילות גבוהה;

-ג'אמפר קצר ל-GND, מצב CCM מאולץ;

④ הגדרת מצב פעילות של השבב: סה"כ 5 מצבי עבודה (ראו ספר הדרכות);

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 אספקת הספק BUCK - טכנולוגיה מרכזית לעיצוב PCB

לולאות קבל כניסה ויציאה:

① הקבלים של כניסה ויציאה באספקת הספק BUCK שומרים על לולאה מינימלית, מה שמשפיע באופן משמעותי על EMC;

② C4 משמש בעיקר לספיגת רעש צילצול בקצות העלייה והירידה של המפסק;

לולאות MOSFET וסליל:

① שימוש ב-MOSFET משולב מקטין את שטח ההתקנה והעלויות, החיסרון הוא שהלAYOUT של SW אינו יכול לשמור על לולאה מינימלית;

② נקודת ה-SW של ה-MOSFET המשולב אינה מאפשרת עקיבה בשכבת PCB זהה, ודרושה החלפת שכבת שטח כדי להשיג זרימת זרם חשמלי רציפה.

מדידת זרם:

① הזרם המדגם צריך להיות עקומות דיפרנציאליות, וצריך להיות מישור GND ייחוס;

② אין צורך לשלוט בהתנגדות ושווה אורך, והעקומות שומרות על המרחק המינימלי של הטריסים.

פידבק FB:

נגדים ואחרים מחוברים קרוב לפלטת השילט הבקרה

פיזור חום ו-GND:

התקני חימום: טרנזיסטורים מסוג MOSFET, סלילים ומגדירי מדידה יכולים להגביר באופן מתון את העברת החום באזור המישור, והוספת חיבורי GND דרך הקווים יכולה לעזור לשיפור תנאי פיזור החום של כל הלוח.

תכנון ספק כוח BUCK ממיר ראשון לפי תחומים - סיכום

3.1 תרשים תלת-מימדי

דמות תלת-ממדית-1

דמות תלת-ממדית-2

3.2 סיכום העיצוב

① עיצוב ספק הכוח הממותג משתמש בעיצוב 4 שכבות, עובי PCB של 1.6 מ"מ, גודל 30X65 מ"מ;

② הזרם היוצא יכול לעמוד בזרם הזמני המרבי של Qualcomm SA8295 של 24A, ותומך ביכולת תפוקה יציבה של יותר מ-10A.

4- על אודות Codaca אלקטרוניקה

Codaca מתמקדת במחקר ופיתוח עצמאי, עיצוב וייצור של סלילים, וה-VSEB0660-1R0M מתאים לפיתוח ויישום של פלטפורמות Qualcomm. יש לו יתרונות טכנולוגיים כגון יעילות עלות גבוהה, יכולת עמידה חזקה בזרם רוויה ונמיכות יצור חום, ויש לו יחס עוצמה-לנפח מוביל בתעשייה. Codaca מתמקדת במחקר ובפיתוח טכנולוגי, חדשנות טכנולוגית, פיתוח מוצרים מצטיינים לתעשיית הסלילים, ועוזרות בפיתוח ויישום של מוצרים אלקטרוניים.

5- בדיקה ואישור

להמשך בדיקה ואימות, אנא ראו: 03- פענוח עיצוב ספק כוח שלב ראשון של בקר תחום אוטומotive של Qualcomm: ניתוח מדידת בדיקת ביצועים .

[הפניה]

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

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