신에너지차 산업의 급속한 발전은 다양한 산업 체인 전반에 걸쳐 폭발적인 성장을 촉진해 왔다. 차량 지능화와 자율주행은 신에너지차의 가장 중요한 경쟁력 방향이 되었으며, 고도로 통합된 중앙 브레인 및 도메인 컨트롤러에 새로운 과제와 기회를 제공하고 있다. 특히 DC-DC 스위칭 전원 공급 장치의 신뢰성, 고출력 밀도, 스위치 전원 EMC, 고효율, 고효율 대비 비용 성능 측면에서 그러하다.
Qualcomm은 인텔리전트 콕핏 도메인 컨트롤러 공급업체로서 SA8155 및 SA8295에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 중앙 도메인 컨트롤러 SOC 주 전원(배터리 입력에서 1차 변환으로의 전원)의 과도 전류, 안정적인 작동 전류, 대기 전력 효율, 비용 및 스위치 모드 전원공급장치(SMPS) EMC 설계 간의 갈등은 BUCK 전원공급 설계에서 주요 과제가 됩니다. 이러한 갈등을 해결하고 균형을 이루는 방법은 스위치 모드 전원공급 아키텍처와 전원 칩, 인덕터, MOSFET, 캐패시터가 함께 작동하는 기술적 방향입니다.
이 기사에서는 자동차 응용 분야에서 큰 동적 스위치 모드 전원 전류(100-300%)를 가지는 중앙 도메인 컨트롤러의 주전원 설계를 결합하여, 전원 공급 솔루션과 인덕터 및 커패시터 선택 방법을 포함한 DC-DC 스위치 모드 전원 공급 장치의 설계를 탐구합니다. 또한 부피, 비용, 효율성 및 성능 측면에서 발생하는 과제들을 해결하면서 실용적인 설계를 논의하고 구현합니다.
이 기사에서는 퀄컴 SA8295 도메인 컨트롤러를 예로 들어, 주 BUCK 스위치 모드 전원 공급 장치의 실용적 설계를 탐색하고 구현합니다.
이 시리즈 기사는 세 부분으로 구성되며 (지속적으로 업데이트될 예정입니다):
01- 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 1단계 전원 공급 설계 해부: 전원 설계 및 계산 (이번 장)
02- 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 1단계 전원 공급 설계 해부: 회로도 설계 및 PCB 설계
03- 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 1단계 전원 공급 설계 해독: 성능 테스트 측정 분석
1- 설계 목표와 과제
1.1 SA8295의 과도 전류 요구사항
표 1: SA8295 전원 설계 요구사항
1.2 SA8295 대기 전류 요구사항
퀄컴 SoC 3.3V 전원 공급 대기 전력 소비량은 4~7.5mA 이내(메모리 자체 리프레시 전력 소비 포함), 대기 상태에서의 웨이크업 기능 지원
중앙 브레인(기내 도메인 컨트롤러)의 전체 차량 전류 예산은 7~10mA(13.5V)이며, 4G/5G 모듈만으로도 4~5mA를 소비합니다. 퀄컴 SA8295는 13.5V 기준으로 3mA(40mW) 이하입니다.
1.3 세 가지 주요 과제
1.3.1 과제 1: 퀄컴 도메인 컨트롤러 SA8295 스위칭 전원 공급 장치 전류 출력
큰 과도 전류, 3.3V, 18암페어(0.1ms). 0.1ms는 DC-DC 스위칭 전원 공급 장치에서 이미 긴 주기의 정상 상태 출력에 해당하므로, 부스트 전원 공급 장치가 안정적인 18암페어 출력을 위해 설계되어야 합니다.
1.3.2 과제 2: 고품질 도메인 컨트롤러 SA8295 스위칭 전원 공급 장치 동작 특성
SA8295 도메인 컨트롤러의 정상 상태 작동 전류는 5~9암페어로, 스위칭 전원 공급 장치 인덕터에서 정상 작동 전류 차이가 300% 이상 발생하게 되며, 이는 인덕터의 크기, 비용 및 주파수 측면에서 상당한 갈등을 유발합니다(인덕턴스는 정격 전류와 반비례 관계임).
1.3.3 과제 3: 고품질 도메인 컨트롤러 SA8295 스위칭 전원 공급 장치 마이크로 전력 효율
대기 전력 소비는 13.5V 3mA에서 효율이 70%에 불과하여 전원 공급 컨트롤러 아키텍처 및 인덕터 선택 설계에 큰 도전 과제가 됩니다.
본 설계는 최대 SA8295 주요 벅(Buck) 전원 공급 설계의 과제를 기반으로 하여, 스위칭 전원 공급 장치 및 DC-DC 기술 솔루션의 핵심 난제를 탐구합니다.
2- 솔루션 선정 비교
2.1 퀄컴 SA8295 도메인 컨트롤 전원 기술 요구사항
표 2와 같이 표시됨:
표 2: 퀄컴 SA8295 전원 설계 기술 사양 요구사항
2.2 설계 방안 및 기술 문서
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 등은 모두 설계 요구사항을 충족할 수 있습니다. 본 설계에서는 이 프로젝트의 중앙 브레인 도메인 컨트롤러 주 전원 공급 설계 방안으로 LM25149-Q1을 채택합니다.
2.2.1 공식 LM25149-Q1 주소:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
표 3: LM25149-Q1 설계 참고 자료
2.2.2 LM25149-Q1 사양서:
LM25149-Q1 42-V 자동차용, 동기식 부스트, DC/DC 컨트롤러 초저 IQ 및 통합 액티브 EMI 필터 데이터 시트(Rev. B)
2.2.3 LM25149-Q1 개발 보드:
LM25149-Q1 EVM 사용자 가이드(Rev. A)(ti.com.cn)
2.2.4 액티브 필터 안정성 및 성능:
액티브 EMI 필터의 안정성과 성능을 보장하는 방법(ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 설계 도구 :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC 계산 도구 | TI.com
3- 동기식 부스트 전원 공급 장치 설계 및 계산
3.1 LM25149의 주요 사양 및 설계 파라미터
표 4: 퀄컴 SA8295 전원 설계 기술 사양 요구사항
효율성
능동형 EMI 필터
EMI 테스트
리퍼런스 디자인 회로도
리퍼런스 디자인 솔루션 평가 보드
3.2 LM25149 동기식 BUCK 인덕터 선정 계산
3.2.1 동기식 BUCK 스위칭 전원 공급 장치 계산 공식:
표 5: 동기식 BUCK 전원 공급 장치 설계 계산 수식
3.3 최소 인덕터 계산
(계산 수식은 표 5 참조)
표 6: 최소 인덕턴스 계산 곡선 차트 (∆I=0.3)
표 7: 최소 인덕턴스 계산
3.3.1 인덕턴스 계산 데이터 요약:
① 설계 범위가 6-20A (AI=0.3 계산)를 포함하고, 입력 전압 16V, 출력 전류 6A일 경우, 인덕턴스는 ≥0.69μH여야 한다.
② 스위칭 전원 인덕턴스 Lmin의 이론적 계산: ≥ 0.69μH(이론적).
③ 실제 설계 선택 및 인덕터 허용오차 ±20%를 고려하여, 최적의 설계값으로 0.82μH 및 1.0μH를 선택한다(인덕턴스 값을 증가시키면 인덕터 크기와 비용이 증가하며 SRF는 감소함).
3.4 인덕터 전류 계산
(수식: 표 5의 항목 1 및 2 참조)
표 8: 0.82μH 인덕터 전류 계산
표 9: 1.0μH 인덕터 전류 계산
3.4.1 이론적 계산에 의한 인덕터 포화 전류 ≥ 20.76A, 반올림하여 21A:
표 10: 인덕터 사양
4- 스위칭 전원 공급 장치용 인덕터 선정
표 11: 인덕터 선택
4.1 LM25149용 전류 감지 저항 스위칭 전원 공급 장치 계산
표 12: 전류 감지 저항의 이론적 계산
표 13: 전류 감지 저항 선정
4.2 동기식 BUCK 스위칭 전원 공급 장치 출력 캐패시터 계산
(출력 캐패시터 계산: 표 5의 수식 참조)
표 14: 동기식 BUCK 스위칭 전원 공급 장치 출력 캐패시터 계산
동기 부크 스위치 모드 전원 공급 장치 설계의 경우, 입력 및 출력 필터 커패시터의 성능, 크기, 비용 사이에 상충 관계가 존재합니다. 커패시터 사양 테스트는 특정 조건 하에서 수행되며, 테스트 중 계측 장비의 차이로 동일한 사양이라도 10~50%의 오차가 발생할 수 있습니다. 최종적인 설계 성능은 디버깅 과정을 통해 과학적인 검증과 테스트를 거쳐야 하며(최적의 단일 해법은 없으며, 특정 응용에 적합한 방안을 선택하는 것만이 중요함) 결정됩니다.
스위치 커패시터는 다음 조건을 충족해야 합니다: 용량 ≥ 320uF (과도 전압 요구사항), 세라믹 커패시터 용량 2.435uF 초과 (핵심 조건은 아니며, 요구사항 만족 시 충분함).
표 15: 스위칭 전원 공급 장치용 출력 필터 커패시터 모델 추천 선정
표 16: 스위칭 전원 공급 장치용 출력 필터 커패시터 설계
4.3 LM25149 전원 공급 장치용 입력 커패시터 계산
4.3.1 입력 커패시턴스 계산
표 17: 스위칭 전원 공급 장치용 입력 필터 커패시터 계산
표 18: 스위칭 전원 공급 장치용 출력 필터 선택
4.4 LM25149 Mosfet 선택 계산
4.4.1 MOSFET 계산
LM25149 데이터시트에는 많은 계산 및 선택 계산이 포함되어 있지 않습니다. QG 계산 및 선택은 경험적 추정과 역방향 유추를 기반으로 합니다. 계산 결과는 Vgs 값이 4.5-5.0V이고 ≤22nC임을 나타냅니다. 계산 과정은 아래 표에 나와 있습니다. 밀러 플랫폼은 2-3V로 선택되며(3V에 가까운 값도 허용됨), Rdson은 ≤8mΩ로 선택됩니다.
표 19: Mosfet 선택 및 계산
4.5 Mosfet 선택 권장사항
표 20: Mosfet 선택 모델
4.6 LM25149 FB 및 보상 계산
표 21: FB 및 보상 계산
4.7 LM25149 EMC 설계 계산
너무 깊은 분석 없이, 사양을 참조하십시오.
5- 설계 요약
5.1 LM25149 BUCK 전원 공급 장치 설계 및 선택 요약
표 22: 설계 및 선택
5.2 솔루션 요약
동기식 스위칭 전원 공급 장치의 성능과 효율은 많은 요인에 의해 영향을 받는다. 성능 및 사양은 실용적인 요소들을 고려해야 한다. 본 장에서는 이론적 계산을 통해 실용적인 설계를 위한 이론적 지침을 제공한다. 설계의 성능과 사양은 부품 성능, 사용 조건, 레이아웃 등과 밀접하게 관련되어 있으며, 엄격한 테스트와 검증이 필요하다.
퀄컴 도메인 컨트롤러용 동기 부스트 전원 공급 설계는 성능, 크기, 비용 간의 균형이 요구되는 컨트롤러 설계의 어려운 분야입니다. CODACA는 전력 인덕터 및 공통 모드 쵸크의 독립적인 연구 개발과 설계에 집중하고 있습니다. CSEB0660-1R0M은 퀄컴 플랫폼의 개발 및 응용에 적합하며, 높은 가성비, 강한 포화 전류 저항성, 낮은 발열, 그리고 업계 최고 수준의 전력 대 체적 비율을 제공합니다. CODACA는 기술 연구 개발과 혁신에 전념하여 인덕터 산업을 위한 탁월한 제품을 개발하고 전자제품의 발전과 응용에 기여하고 있습니다.
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